Studies on the proliferation of microglia and reduction of amyloid plaque burden in the brain by chronic infection with Toxoplasma gondii in Alzheimers disease model mice

Abstract

Alzheimers disease (AD) is known to progressively worsen with an accumulation of amyloid β (Aβ) plaques in the brain. A recent study has showed that chronic Toxoplasma gondii infection reduces the amyloid plaque burden in a mouse model of Alzheimers disease (AD). The release of T. gondii-induced anti-inflammatory cytokines (transforming growth factor-beta and interleukin-10) and elevated Ly6Chi monocyte levels are suggested to be the underlying mechanisms. It is well acknowldeged that microglial phagocytosis is important to eliminate amyloid plaque in AD. Until recently, the microglial proliferation and the mechanistic links to amyloid plaque burden reduction and AD pathology following T. gondii-infection is not clear. The aim of the study is to investigate the role of T. gondii infection in the microglial proliferation and phenotype changes on amyloid plaque reduction using 5XFAD transgenic mice and compared the results with control mice. Results showed that, in the normal mouse brain, the number of Iba1-positive microglia and TMEM119-positive resident homeostatic microglia was significantly increased during 3 to 36 weeks of T. gondii infection period, expressing Ki67 proliferation marker. Microarray analysis of microglial markers (Iba1, P2ry13, Cx3cr1, Tmem119) and trophic factors (Il1β, Tnfα, Mcsf, NFκB1) were consistent with microglial proliferation. Next, I have analyzed the association between microglial proliferation and the Aβ plaque burden in brain tissues isolated from 5XFAD AD mice (AD group) and T. gondii-infected AD mice (AD + Toxo group). Compared with the AD group, the AD + Toxo group showed a significantly reduced Aβ plaque burden but significantly higher homeostatic microglial proliferation and increased numbers of plaque-associated microglia following 10 months post- T. gondii infection. Microarray analysis showe that microglial markers (Iba1, P2ry13, Tmem119), trophic factors (Tnfα, Il1β) was increased in the AD+Toxo group, and enzyme-linked immunosorbent assay result of Aβ peptide was significantly decreased in the AD+Toxo group as the result of amyloid plaque counting. Most plaque-associated microglia were transformed into the TREM2-positive and Lpl-positive disease-associated microglia (DAM) phenotypes in both AD and AD + Toxo groups and underwent apoptosis after lysosomal degradation of phagocytosed Aβ plaques, which highlights that a sustained supply of homeostatic microglia is necessary to reduce the Aβ plaque burden. Through this study, I discovered that chronic T. gondii infection could induce microglial proliferation in the brains of mice with progressive AD and the sustained supply of homeostatic microglia may be a promising therapeutic approach against AD.

알츠하이머병은 뇌내 아밀로이드 플라크의 축적과 함께 점진적으로 악화되는 병으로 알려져 있다. 최근 연구에 따르면, 만성 톡소포자충 감염이 알츠하이머병 모델 마우스에서 아밀로이드 플라크 부하를 감소시키며, 관련 기전으로 톡소포자충에 의해 유도된 항염증성 사이토카인(전환성장인자 베타 및 인터루킨-10)의 방출과, 높아진 Ly6Chi 단핵구 수치가 아밀로이드 플라크 부하 감소의 원인이 될 수 있음이 제시되었다. 미세아교세포의 포식 작용도 알츠하이머병에서 아밀로이드 플라크를 제거하는데 중요하다는 것은 잘 알려져 있지만, 최근까지도 톡소포자충에 감염된 후 미세아교세포의 증식과 아밀로이드 플라크 부하 감소 및 알츠하이머병 병리와의 기전적 연관성에 대해서는 확실히 알려진바가 없다. 본 연구의 목적은, 5XFAD 형질 전환 마우스를 사용하여 아밀로이드 플라크 감소에 대한 미세 아교 세포 증식 및 표현형 변화에서 톡소포자충 감염의 역할을 분석하고 그 결과를 대조군과 비교하는 것이다. 연구결과, 일반 마우스의 뇌에서 톡소포자충 감염 3주에서 36주 동안, Iba1-양성의 미세아교세포 및 TMEM119-양성의 뇌내 거주 항상성 미세아교세포의 수가 증식마커인 Ki67의 발현을 동반하며 유의성 있게 증가하였다. 마이크로어레이 분석 상의 미세아교세포 마커 (Iba1, P2ry13, Cx3cr1, Tmem119)와 영양인자 (Il1β, Tnfα, Mcsf, NFκB1)도 미세아교세포의 증식과 일치하는 결과를 보였다. 이후 5XFAD 알츠하이머병 모델 마우스군 (AD 실험군)과 톡소포자충을 감염시킨 실험군 (AD+Toxo 실험군)에서 회수한 뇌 조직을 이용하여 미세아교세포의 증식과 아밀로이드 베타 플라크 부하 간의 상관관계를 분석하였다. 톡소포자충 감염 10개월 후, AD+Toxo 실험군은 AD 실험군에 비해 아밀로이드 플라크 부하가 유의하게 감소하였고, 그에 반해 항상성 미세아교세포의 수와 플라크 인접 미세아교세포의 수는 유의하게 증가하였다. 마이크로어레이 분석 상의 미세아교세포 마커 (Iba1, P2ry13, Cx3cr1, Tmem119)와 영양인자 (Il1β, Tnfα, Mcsf, NFκB1)는 AD+Toxo 실험군에서 증가하였으며, Aβ 펩타이드의 효소결합면역흡착검사 결과는 아밀로이드 플라크 계수 결과와 같이 AD+Toxo 실험군에서 유의성 있게 감소하는 것으로 나타났다. 대부분의 플라크 인접 미세아교세포는 AD 실험군과 AD+Toxo 실험군 모두에서 TREM2와 Lpl을 발현하는 질병연관 미세아교세포로 표현형이 분화되는 것을 확인하였고, 동시에 플라크 인접 미세아교세포 대부분이 아밀로이드 베타 플라크를 포식 및 분해하는 과정에서 세포자멸사를 겪는 것으로 확인되었다. 이는 항상성 미세아교세포의 지속적인 공급이 아밀로이드 베타 플라크 부하의 감소에 필수적이라는 것을 확실하게 시사해준다. 본 연구를 통해 만성의 톡소포자충 감염이 진행성 알츠하이머병 마우스의 뇌 내 미세아교세포의 증식을 유도할 수 있음을 발견할 수 있었고, 그로 인한 항상성 미세아교세포의 지속적인 공급이 향후 알츠하이머병에 대한 치료전략이 될 수 있음을 확인할 수 있었다.