Immunohistochemical analysis of GFAP expression in the experimental sepsis-associated encephalopathy

Abstract

Pathophysiology of sepsis-associated encephalopathy (SAE) is linked to blood-brain barrier breakdown, neuroinflammation and neurotransmitter imbalance in the brain. Astroglia, the most abundant cell population within the brain, plays the critical role in control of all kinds of homeostatic processes, thereby regulating the adaptive reactions of the brain to various challenges. Astroglia are highly heterogenous across the brain regions, therefore, damaging factors stimulate heterogenous astroglial reactivity and response in different brain regions. The aim of this study was determining immunohistochemical features of GFAP expression in various brain regions in the model of rodent experimental sepsis. Materials and methods. The experiment was performed in Wistar rats: control group of 5 sham-operated rats and the main group of 20 rats subjected to cecum ligation and puncture (CLP) procedure. The immunohistochemical study of GFAP expression in the sensorimotor cortex, subcortical white matter, hippocampal, thalamic and caudate nucleus/putamen regions was performed from 20 to 48 hours of the postoperative period. Results. Starting from the 12th hour after CLP, animals began display progressive increase in signs of periorbital exudation, piloerection, fever-/hypothermia, diarrhea, social isolation, lethargy, and respiratory impairment. In the period of 20–38 hours, 9 animals showed expressed previously listed symptoms and were euthanized (CLP-B – lethal group), 11 rats survived until 48 hours of the experiment (CLP-A – survived group). In the lethal group, starting from 20 to 38 hours after the CLP procedure, a significant (relative to control) regionally-specific dynamic increase in the level of GFAP expression was observed in the brain: in the cortex – by 465 %, in the subcortical white matter – by 198 %, in the hippocampus – by 250 %, from the 23rd hour – in the caudate nucleus/putamen by 18 %. In the thalamus, no significant changes in the level of GFAP expression were observed. In the cortex and hippocampus of survived animals, 48 h after CLP, higher values of GFAP expression were observed comparing to the group of non-survived animals. Conclusions. Under conditions of the experimental SAE, an early dynamic increase in the astroglial reactivity was observed in the cortex, hippocampus, white matter, and caudate nucleus/putamen of the brain with the most significant increase of indicators in the cortex and hippocampus, which potentially indicates relatively more vulnerable areas of the brain to damaging factors, as well as places of the most active intercellular interaction in the condition of systemic inflammation. Higher values of GFAP expression in the cortex and hippocampus of survived animals at 48 hours of the experiment, compared with indicators of non-survived group, indicate increased astroglial reactivity in these brain regions at the noted time period, accompanied by relatively more favorable clinical course of the disease. Патогенез сепсис-асоційованої енцефалопатії (САЕ) пов’язують із пошкодженням гематоенцефалічного бар’єра, нейрозапаленням і дисбалансом нейромедіаторів у мозковій тканині. Астроглія, найчисленніша популяція клітин у головному мозку, відіграє критичну роль у контролі всіх видів гомеостатичних процесів, регулюючи адаптивні реакції мозку у відповідь на різні фактори його пошкодження. Астроглія дуже неоднорідна в різних відділах мозку, тому фактори, що викликають пошкодження тканини, ініціюють гетерогенні клітинні реакції. Мета роботи – визначення імуногістохімічних особливостей експресії GFAP у різних відділах мозку за умов експериментальної моделі сепсису в щурів. Матеріали та методи. Дослідження здійснили на щурах лінії Вістар: контрольна група включала 5 хибнооперованих щурів; 20 тваринам виконали перев’язку та пункцію сліпої кишки (CLP). Здійснили імуногістохімічне дослідження експресії маркера GFAP у сенсомоторній корі, підкірковій білій речовині, гіпокампі, таламусі, хвостатому ядрі/лушпині в період з 20 до 48 години після CLP-процедури. Результати. Починаючи з 12 години після CLP-процедури, у тварин почали прогресувати ознаки періорбітальної ексудації, пілоерекція, гіпер-/гіпотермія, діарея, соціальна ізоляція, летаргія та респіраторні порушення. У період з 20 до 38 години 9 тварин на тлі суттєвого погіршення стану були евтаназовані (підгрупа CLP-B – загиблі щури), 11 особин вижили до кінця експерименту, 48 годин (підгрупа CLP-A – тварини, які вижили). У підгрупі CLP-B у строк із 20 до 38 години після процедури CLP у головному мозку спостерігали вірогідне (щодо контролю) регіонально-специфічне динамічне збільшення рівня експресії GFAP: у корі – на 465 %, підкірковій білій речовині – на 198 %, гіпокампі – на 250 %; з 23 години – на 18 % у хвостатому ядрі/лушпині. У таламусі не визначили вірогідну зміну рівня експресії GFAP. У корі та гіпокампі тварин, які вижили, через 48 годин після CLP встановили вищі значення експресії GFAP порівняно з групою загиблих щурів. Висновки. В умовах експериментальної САЕ спостерігали раннє динамічне підвищення реактивності астроглії в корі, гіпокампі, білій речовині і хвостатому ядрі/лушпині головного мозку з найбільшим підвищенням показників у корі та гіпокампі. Це потенційно вказує на відносно вразливіші для факторів пошкодження ділянки мозку, а також на місця найактивнішої міжклітинної взаємодії під час системного запалення. Вищі значення експресії GFAP у корі та гіпокампі тварин, які вижили до 48 години експерименту, щодо показників групи загиблих щурів указують на посилення астрогліальної реактивності в названих ділянках мозку в цей період на тлі відносно сприятливішого клінічного перебігу захворювання. Патогенез сепсис-ассоциированной энцефалопатии (САЭ) связывают с повреждением гематоэнцефалического барьера, нейровоспалением и дисбалансом нейромедиаторов в мозговой ткани. Астроглия, наиболее многочисленная популяция клеток в головном мозге, играет главенствующую роль в контроле всех видов гомеостатических процессов, регулируя адаптивные реакции ткани при воздействии различных повреждающих факторов. Астроглия очень неоднородна в разных отделах мозга, поэтому повреждающие факторы активируют гетерогенные клеточные реакции. Цель работы – определение иммуногистохимических особенностей экспрессии GFAP в разных отделах мозга в условиях экспериментальной модели сепсиса у крыс. Материалы и методы. Эксперимент проведён на крысах линии Вистар: контрольная группа включала 5 ложнооперированных крыс; 20 животным выполнена перевязка и пункция слепой кишки (CLP). Иммуногистохимическое исследование экспрессии белка GFAP проведено в материале коры, подкоркового белого вещества, гиппокампа, таламуса, хвостатого ядра/скорлупы в срок от 20 до 48 часов после CLP-процедуры. Результаты. Начиная с 12 часов после CLP-процедуры, у животных начали прогрессировать признаки периорбитальной экссудации, пилоэрекция, гипер-/гипотермия, диарея, социальная изоляция, летаргия и респираторные нарушения. В период с 20 до 38 часа 9 животным на фоне значительного ухудшения состояния проведена эвтаназия (подгруппа CLP-B – погибшие крысы), 11 особей выжили до конца эксперимента, 48 часов (подгруппа CLP-A – выжившие животные). В подгруппе CLP-B в сроке c 20 до 38 часа после процедуры CLP в головном мозге наблюдали достоверное (относительно контроля) регионально-специфическое динамическое увеличение уровня экспрессии GFAP: в коре – на 465 %, подкорковом белом веществе – на 198 %, гиппокампе – на 250 %; с 23 часа – на 18 % в хвостатом ядре/скорлупе. В таламусе достоверное изменение уровня экспрессии GFAP не выявлено. В коре и гиппокампе выживших животных через 48 ч после CLP установлены более высокие значения экспрессии GFAP по сравнению с группой погибших крыс. Выводы. В условиях экспериментальной САЭ отмечено раннее динамическое повышение реактивности астроглии в коре, гиппокампе, белом веществе и хвостатом ядре/скорлупе головного мозга с наиболее существенным повышением показателей в коре и гиппокампе. Это потенциально указывает на относительно более уязвимые для повреждающих факторов области мозга, а также на места наиболее активного межклеточного взаимодействия при системном воспалении. Более высокие значения экспрессии GFAP в коре и гиппокампе выживших животных к 48 часам эксперимента относительно показателей группы погибших крыс указывают на усиление астроглиальной реактивности в данных областях мозга в этот период на фоне относительно более благоприятного клинического течения заболевания.