Ein neues Zelltodprogramm, reguliert durch Toll-like-Rezeptor 9 über den p38 Mitogen-aktivierten Proteinkinase-Signalweg in einem neonatalen Rattenmodell mit sepsisassoziiierter Enzephalopathie
Sepsis ist ein lebensbedrohlicher Zustand, der durch eine dysregulierte Wirtsantwort auf eine Infektion gekennzeichnet ist und oft zu multiplen Organfunktionsstörungen und hohen Mortalitätsraten führt. Unter ihren Komplikationen ist die sepsisassoziierte Enzephalopathie (SAE) besonders schwerwiegend und manifestiert sich als kognitiver Abbau und mentale Verschlechterung. Trotz ihrer klinischen Bedeutung sind die zugrunde liegenden Mechanismen der SAE, insbesondere die Beteiligung verschiedener Zelltodprogramme, noch weitgehend unverstanden. Diese Studie untersucht die Rolle von Toll-like-Rezeptor 9 (TLR9) bei der Regulation eines neuartigen Zelltodprogramms, bekannt als PANoptose (Pyroptose, Apoptose und Nekroptose), über den p38 Mitogen-aktivierten Proteinkinase (MAPK)-Signalweg in einem neonatalen Rattenmodell der SAE.
Hintergrund und Bedeutung
Die sepsisassoziierte Enzephalopathie (SAE) ist eine kritische Komplikation der Sepsis, die zu erheblicher Morbidität und Mortalität beiträgt. Die Pathogenese der SAE umfasst den neuronalen Zelltod, aber die spezifischen Mechanismen und das Zusammenspiel zwischen verschiedenen Zelltodprogrammen sind noch nicht vollständig aufgeklärt. Neuere Studien haben die Bedeutung der PANoptose, eines koordinierten Zelltodprozesses, der Pyroptose, Apoptose und Nekroptose umfasst, bei verschiedenen entzündlichen und infektiösen Erkrankungen hervorgehoben. Das Verständnis der Regulation der PANoptose bei SAE könnte neue therapeutische Zielstrukturen für diese verheerende Erkrankung liefern.
Toll-like-Rezeptoren (TLRs) sind Schlüsselakteure der angeborenen Immunantwort, die pathogenassoziierte molekulare Muster erkennen und entzündliche Reaktionen initiieren. TLR9 wurde insbesondere mit Neuroinflammation und der Regulation des Zelltods in Verbindung gebracht. Seine Rolle bei SAE und den damit verbundenen Zelltodprogrammen ist jedoch noch unerforscht. Diese Studie zielt darauf ab, diese Lücke zu schließen, indem sie die regulatorischen Mechanismen von TLR9 in der PANoptose über den p38 MAPK-Signalweg in einem neonatalen Rattenmodell der SAE untersucht.
Methoden
Ein neonatales Rattenmodell der SAE wurde durch Zäkalligation und Perforation (CLP), eine etablierte Methode zur Induktion von Sepsis, etabliert. Die Überlebensrate, Vitalzeichen (mittlerer arterieller Druck und Herzfrequenz) und neurologische Reflexe wurden überwacht, um die Entwicklung der SAE zu bestätigen. Pathologische Veränderungen im Gehirnkortex wurden mittels Hämatoxylin- und Eosin-Färbung bewertet. Die Expression von PANoptose-assoziierten Proteinen, MAPKs und TLR9 wurde mittels Western Blot und Immunfluoreszenzfärbung nachgewiesen. Die Ultrastruktur der Neuronen wurde mittels Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) untersucht.
Um die Rolle verschiedener Zelltodprogramme zu untersuchen, wurden spezifische Inhibitoren der Apoptose (Z-DEVD-FMK), Pyroptose (INF39) und Nekroptose (Nec-1s) an die Ratten verabreicht. Die Auswirkungen dieser Inhibitoren auf die PANoptose wurden analysiert. Zusätzlich wurde die Beteiligung der MAPK-Signalwege (p38 MAPK, ERK und JNK) unter Verwendung pharmakologischer Inhibitoren (SB203580, PD98059 und SP600125) bewertet. Die Rolle von TLR9 wurde weiter untersucht, indem seine Expression durch den TLR9-Inhibitor ODN2088 herunterreguliert wurde.
Ergebnisse
Etablierung des SAE-Modells
Der CLP-Eingriff induzierte erfolgreich SAE bei neonatalen Ratten, wie durch verringerte Überlebensraten, veränderte Vitalzeichen und beeinträchtigte neurologische Reflexe belegt wurde. Die pathologische Untersuchung zeigte eine ungeordnete Zellanordnung und abnormale Morphologie im Gehirnkortex der CLP-Ratten, was die Entwicklung der SAE bestätigte.
Aktivierung der PANoptose bei SAE-Ratten
PANoptose wurde in den kortikalen Neuronen der SAE-Ratten beobachtet, mit signifikanter Aktivierung von Apoptose, Pyroptose und Nekroptose. Western Blot zeigte eine erhöhte Expression von gespaltenem Caspase-3 (Apoptose), NLRP3 und gespaltenem Caspase-1 (Pyroptose) sowie RIPK1, RIPK3 und phosphoryliertem MLKL (Nekroptose). Die TEM-Analyse bestätigte das Vorhandensein aller drei Zelltodprogramme in den Neuronen der CLP-Ratten. Immunfluoreszenzfärbung zeigte, dass Apoptose und Pyroptose die dominierenden Formen des Zelltods waren, während Nekroptose eine sekundäre Rolle spielte.
Interaktion verschiedener Zelltodprogramme
Die pharmakologische Hemmung von Apoptose, Pyroptose und Nekroptose offenbarte komplexe Interaktionen zwischen diesen Zelltodprogrammen. Die Hemmung der Apoptose aktivierte die Nekroptose, während die Hemmung der Pyroptose die Apoptose unterdrückte, aber die Nekroptose aktivierte. Umgekehrt aktivierte die Hemmung der Nekroptose die Apoptose und Pyroptose wieder. Diese Befunde legen nahe, dass Apoptose und Pyroptose synergistisch die Nekroptose bei SAE ausbalancieren.
Rolle der MAPK-Signalwege in der PANoptose
Alle drei MAPK-Signalwege (p38 MAPK, ERK und JNK) wurden bei SAE-Ratten aktiviert. Jedoch beeinflusste nur die Hemmung von p38 MAPK die PANoptose signifikant, indem sie Apoptose und Pyroptose unterdrückte, während sie die Nekroptose aktivierte. Eine weitere Hemmung der Nekroptose in Gegenwart von p38 MAPK-Hemmung reaktivierte Apoptose und Pyroptose, was auf eine negative regulatorische Rolle der Nekroptose auf diese Zelltodprogramme hinweist.
Regulation der PANoptose durch TLR9
Die TLR9-Expression war im Gehirnkortex der SAE-Ratten signifikant erhöht und hauptsächlich mit Neuronen kolokalisiert. Die Herunterregulation von TLR9 hemmte die p38 MAPK- und ERK-Signalwege und führte zur Unterdrückung der PANoptose. Dies legt nahe, dass TLR9 die PANoptose über den p38 MAPK-Signalweg bei SAE reguliert.
Neuroprotektive Effekte der TLR9-Hemmung
Die Hemmung von TLR9 verbesserte die Überlebensrate und reduzierte pathologische Veränderungen im Gehirnkortex der SAE-Ratten. Diese Befunde unterstreichen das Potenzial von TLR9 als therapeutisches Ziel für SAE.
Diskussion
Diese Studie liefert neue Einblicke in die Regulation der PANoptose bei SAE über den TLR9/p38 MAPK-Signalweg. Die gleichzeitige Aktivierung von Apoptose, Pyroptose und Nekroptose in den kortikalen Neuronen der SAE-Ratten unterstreicht die Komplexität der Zelltodmechanismen bei dieser Erkrankung. Die dominanten Rollen von Apoptose und Pyroptose, zusammen mit dem ausgleichenden Effekt der Nekroptose, deuten auf komplexe Interaktionen zwischen diesen Zelltodprogrammen hin.
Der p38 MAPK-Signalweg erwies sich als kritischer Regulator der PANoptose bei SAE, wobei seine Hemmung zur Unterdrückung von Apoptose und Pyroptose, aber zur Aktivierung von Nekroptose führte. Diese Doppelrolle von p38 MAPK unterstreicht seine Bedeutung bei der Koordination verschiedener Zelltodprogramme. Die Reaktivierung von Apoptose und Pyroptose bei Nekroptose-Hemmung betont weiterhin das Zusammenspiel dieser Signalwege.
TLR9 wurde als ein wichtiger upstream-Regulator der PANoptose bei SAE identifiziert, der über die p38 MAPK- und ERK-Signalwege wirkt. Die erhöhte Expression von TLR9 im Gehirnkortex der SAE-Ratten und seine Kolokalisation mit Neuronen legen nahe, dass er direkt am neuronalen Zelltod beteiligt ist. Die neuroprotektiven Effekte der TLR9-Hemmung unterstützen weiterhin sein Potenzial als therapeutisches Ziel für SAE.
Schlussfolgerung
Diese Studie zeigt die gleichzeitige Aktivierung der PANoptose in den kortikalen Neuronen von SAE-Ratten und identifiziert TLR9 als einen kritischen Regulator dieses Prozesses über den p38 MAPK-Signalweg. Die komplexen Interaktionen zwischen Apoptose, Pyroptose und Nekroptose unterstreichen die Notwendigkeit eines umfassenden Verständnisses der Zelltodmechanismen bei SAE. Die Ergebnisse legen nahe, dass die gezielte Hemmung von TLR9 eine neue therapeutische Strategie für SAE bieten könnte, die potenziell die Patientenergebnisse verbessert.
doi.org/10.1097/CM9.0000000000002010