The choroid plexus as a sensor of peripheral inflammation

Abstract

Particular interest has been raised in the last few years, regarding the contribution of the immune system in neurological and psychiatric diseases. It is recognized that an inflammatory component underlies disorders such as Alzheimer’s disease and multiple sclerosis. However, whether these are a consequence, a cause, or just a trigger of disease progression remains to be clarified. In this context, understanding how peripheral inflammatory stimulus reach the brain may contribute to better understand the mechanisms involved in such conditions. Most studies on the communication between the periphery and the central nervous system (CNS) focus on the bloodbrain barrier, which is composed by the endothelial cells of the brain capillaries. However, the blood-cerebrospinal fluid barrier (BCSFB) may as well convey signals from the periphery into the CSF and backwards. The BCSFB is formed by the choroid plexus (CP) epithelial cells. Given its role as the major producer of the CSF, and the presence of several receptors and transporters both in the apical and in the basolateral membranes, the CP is ideally positioned to transmit signals between the immune and the CNS. In the present study we address the CP response to inflammatory stimuli induced in the periphery. We show that the CP displays a specific, rapid and transient response to an acute inflammatory stimulus induced by the intraperitoneal administration of the Gram negative bacteria cell wall lipopolysaccharide (LPS). As soon as 1h after the injection, the CP responds by altering the expression of several genes. This response reaches a maximum at 3h, in which the level of 324 (out of 24 000 studied) transcripts are altered, and returns to the basal profile for most of the transcripts at 72h. Most of the up-regulated genes belong to immune-mediated cascades while those down-regulated encode for proteins involved in the maintenance of the CP barrier function. When LPS is administered repetitively every 2 weeks for 3 months, the CP response persists for longer periods but is attenuated. The biological pathway with higher up-regulation includes genes encoding for proteins that facilitate cells entry into the CSF, which may be particularly relevant in diseases such as multiple sclerosis. Of notice, in both conditions of acute and sustained inflammatory response, we observed altered expression of genes that participate in the innate immune response to infection by microorganisms, and that are related to iron homeostasis. In both conditions, the CP responds by decreasing iron availability for bacterial growth. Specifically, lipocalin 2, a sequester for bacteria iron-loaded siderophores is rapidly secreted into the CSF, persisting in the sustained inflammatory conditions. In addition, the CP is here suggested to play an identical role of that played by the liver, in regulating iron uptake and release, through the synthesis and secretion of hepcidin. Of interest, iron deregulation has been implicated in neurodegenerative diseases including Alzheimer’s disease and multiple sclerosis. Taken together, the data presented here highlights the role of the CP in mediating immune signals into the brain. How, this ultimately corresponds to neuroprotective or deleterious consequences for the brain and how this may relate to diseases of the CNS needs to be further investigated.

Nos últimos anos tem aumentado o interesse no estudo da participação do sistema imunológico em doenças neurológicas e psiquiátricas. A inflamação é hoje aceite com estando presente em doenças como a de Alzheimer e a esclerose múltipla. No entanto, ainda está por esclarecer se esta é uma causa, consequência ou estímulo de progressão e agravamento da doença. Neste contexto, a compreensão do modo como estímulos inflamatórios periféricos influenciam o cérebro pode contribuir para a compreensão dos mecanismos envolvidos nestas doenças. A maioria dos estudos sobre a comunicação entre a periferia e o sistema nervoso central têm incidido na barreira hemato-encefálica, que é constituída pelas células endoteliais dos capilares sanguíneos. No entanto, a barreira sangue-líquido céfalo-raquidiano (BCSFB) pode, igualmente, participar na transmissão de sinais entre a periferia e o CSF. A BCSFB é formada pelas células epiteliais dos plexus coroideus (CP). Tendo como função principal a produção de CSF, e uma vez que possuem vários receptores e transportadores, tanto na membrana apical como na basolateral, os CP estão idealmente posicionados para facilitar a interacção entre os sistemas imunológico e nervoso central. O trabalho desenvolvido nesta tese avalia a resposta dos CP a estímulos inflamatórios periféricos induzido pela administração intraperitoneal do lipopolissacarídeo (LPS) da parede de bactérias de Gram negativo. Quando este estímulo é agudo, observa-se uma resposta específica, rápida e transitória nos níveis de expressão de vários genes. Esta resposta é evidente 1h após a injecção, atinge um máximo às 3h, com a expressão diferencial de 324 (num total de 24 000 estudados) transcritos, e volta ao estado basal para a maioria dos transcritos ao fim de 72h. De entre os genes cuja expressão se encontra alterada os que têm expressão mais aumentada codificam moléculas envolvidas em cascatas imunológicas, enquanto que aqueles com expressão mais diminuída incluem genes que codificam proteínas que participam na manutenção da função de barreira do CP. Quando o LPS é administrado a cada 2 semanas durante 3 meses, a resposta dos CP persiste mais tempo e é de pequena amplitude. A via metabólica com maior aumento na expressão inclui genes que codificam proteínas que facilitam a migração de células para o CSF, o que pode ser relevante em doenças como a esclerose múltipla. De realçar, tanto na resposta inflamatória aguda como na continuada, observa-se expressão alterada de genes que participam na resposta imunológica inata à infecção por microorganismos, e que estão relacionados com o metabolismo do ferro. Em ambos os casos, o CP responde diminuindo a disponibilidade de ferro necessário para o crescimento bacteriano. Especificamente, a lipocalina 2, uma proteína que sequestra sideroforos bacterianos que ligam ferro, é rapidamente segregada para o CSF; uma resposta que persiste na inflamação continuada. Para além disso os resultados obtidos sugerem que o CP desempenha uma função idêntica à do fígado na regulação da captação e libertação de ferro, através da regulação da síntese e segregação de hepcidina. É de notar que alterações no metabolismo do ferro têm sido implicadas em doenças neurodegenerativas como a doença de Alzheimer e a esclerose múltipla. No seu conjunto, os resultados desta tese apontam para uma função clara do CP na transmissão da resposta inflamatória periférica para o cérebro. Se a consequência final desta resposta é benéfica ou deletéria para o cérebro, ou se contribui para doenças do sistema nervoso central fica ainda por esclarecer.