Induction of neuroinflammation by systemic administration of LPS-stimulated donor exosomes in recipient mouse brain LPS

Abstract

Lipopolysaccharide (LPS) is known to activate innate immune cells that promotes release of pro-inflammatory factors, which causes systemic inflammation. LPS-primed immune cells may release a huge number of exosomes to convey specific molecular information to the distant tissue as an efficient communicator to regulate physiological and biological function of target cells. From this regard, it is important to understand a biological role of exosomes for communication between periphery and brain by finding out whether exosomes peripherally stimulated by LPS may affect the brain tissue and which contents of exosomes are closely involved. In this study, I investigated whether intraperitoneally injected LPS changes the exosomes contents and LPS-stimulated exosomes may eventually cause neuroinflammation via systemic administration of those exosomes. After intraperitoneal administration of LPS to C57BL/6 donor mice, exosomes were isolated from the plasma of the donor mice, and the LPS-primed exosomes were exposed with BV2 microglia cell line or C57BL/6 recipient mice. Optimal dose and time point of LPS (5 mg, 4 hr after LPS treatment i.p.) to induce neuroinflammation was determined. Cytokine array data showed that CXCL1, CXCL10 and CCL2 chemokine levels were significantly increased in LPS-exosomes, compared to PBS-exosomes group. The expressions of proinflammatory mRNAs such as Tnfa, Il1b and Il6 were increased after treatment of LPS-exosomes in BV2 microglia cell line until 24 hr. When LPS-primed exosomes were intravenously treated to C57BL/6 recipient mice, levels of Tnfa, Ifng, Il1b, Il6 mRNA were increased in the brain, compared to PBS-exosomes-treated group. Nlrp3 and Casp1 mRNA which are known as downstream genes for CXCL1-CXCR2 signaling was increased after systemic injection of LPS-exo in recipient mouse brain. This study demonstrated that LPS-primed exosomes contain a higher amount of chemokine, which may affect the brain by inducing neuroinflammation with increased proinflammatory cytokines in the brain.

지방 다당류 (LPS)는 선천 면역세포를 활성화시켜 전신 염증을 유발하는 전 염증 인자의 분비를 촉진하는 것으로 알려져 있다. LPS 프라이밍 된 면역 세포는 특정 분자 정보를 먼 조직에 전달하기 위해 표적 세포의 생리적 및 생물학적 기능을 조절하는 효율적인 매개체인 엑소좀을 다량 분비할 수 있다. 이러한 점에서 LPS로 자극된 엑소좀이 뇌 조직에 영향을 미칠 수 있는지, 그리고 엑소좀의 어떤 내용물이 이와 밀접하게 관련되어 있는지를 알아냄으로써 말초와 뇌 사이의 소통을 위한 엑소좀의 생물학적 역할을 이해하는 것이 중요하다. 이번 실험을 통해 복강 투여된 LPS가 엑소좀 내용물을 변화시키고 LPS로 자극된 엑소좀을 전신 투여하여 이러한 엑소좀이 결국 신경 염증을 유발할 수 있는지 확인하였다. C57BL/6 공여자 마우스에 LPS를 복강 내 투여한 후, 공여자 마우스의 혈장으로부터 엑소좀을 분리하고, LPS- 프라이밍 된 엑소좀을 BV2 미세아교세포주 또는 C57BL/6 수용자 마우스에 노출시켰다. 신경 염증을 유도하기위한 LPS의 최적 용량 및 시점 (5 mg, LPS 주입 4 시간 후)을 결정하였다. 사이토카인 어레이 결과는 CXCL1, CXCL10 및 CCL2 케모카인이 PBS-엑소좀 그룹에 비해 LPS-엑소좀에서 유의하게 증가했음을 보여주었다. Tnfa, Il1b 및 Il6과 같은 전 염증성 mRNA의 발현은 BV2 미세아교세포주에서 LPS-엑소좀 처리 후 24 시간까지 증가하였다. LPS-엑소좀을 C57BL/6 수용자 마우스에 정맥 주사한 경우, PBS-엑소좀 처리 군에 비해 뇌에서 Tnfa, Ifng, Il1b, Il6, Nlrp3 및 Casp1 mRNA의 발현이 증가하였다. 본 연구는 LPS 프라이밍된 엑소좀이 더 많은 양의 케모카인을 함유하고 있으며, 이는 뇌에서 증가된 전 염증성 사이토 카인과 함께 신경 염증을 유도함으로써 뇌에 영향을 미칠 수 있음을 입증하였다.