Влияние рифампицина на экспрессию генов системы Toll-подобных рецепторов в структурах головного мозга крысят с пренатальным воздействием алкоголя

Поступление алкоголя в организм во время беременности может отразиться на нормальном ходе эмбрионального развития плода, что приведет к формированию симптомов фетального алкогольного спектра нарушений (ФАСН). Имеются сведения о том, что при ряде пренатальных патологических состояниях наблюдаются изменения в регуляции механизмов экспрессии ряда про- и противовоспалительных цитокинов. В нашем исследовании мы сосредоточили внимание на изучении уровня экспрессии ряда генов про- и противовоспалительных цитокинов в переднем и височном отделах мозга крысят в постнатальном периоде развития при моделировании пренатального воздействия алкоголя (ПВА). Также оценили уровень экспрессии генов, которые ассоциированы с регуляцией экспрессией генов про- и противовоспалительных цитокинов. Кроме того, в задачи нашего исследования входило произвести фармакологическую коррекцию наблюдаемых изменений потенциальным фармакологическим агентом – рифампицином, который по данным других исследований оказывал нейропротекторный эффект. Моделирование ПВА осуществлялось путем спаивания беременных самок крыс 15%-ным раствором этанола на протяжении всей беременности. Инъекции выполнялись крысятам с 1-го по 7-й постнатальные дни. Забор структур мозга для анализа экспрессии генов осуществлялся на 8-е постнатальные сутки. Результаты исследования показали наличие изменений в экспрессии генов Tlr3 и Tlr4 на 8-е сутки постнатального развития в передней и височной долях головного мозга. Экспрессия генов Myd88 и Ticam имела разнонаправленные изменения среди исследуемых структур мозга крысят с ПВА. Отмечен повышенный уровень мРНК провоспалительных генов. Применение Rif в эксперименте показало способность Rif (50 мг/кг) корректировать наблюдаемые долгосрочные патологические изменения в экспрессии исследуемых генов. Представляется интересным изучение в будущем дозозависимого эффекта, а также исследование выявленных изменений белковыми методами. Кроме того, представляется важным в будущем изучение системы TLR-сигнализации в других структурах мозга с ПВА, а также на разных сроках постнатального развития в онтогенезе.

1. Айрапетянц М.Г. Последствия алкогольной интоксикации для потомства. M.: Наука, 1989. 124 с.

2. Айрапетов М.И., Ереско С.О., Бычков Е.Р., Лебедев А.А., Шабанов П.Д. Экспрессия гена Hmgb1 изменяется в стриатуме и амигдале мозга крыс при длительной алкоголизации и отмене этанола // Биомедицинская химия, 2021. Т. 67, № 1. С. 95-99.

3. Айрапетов М.И., Ереско С.О., Лебедев А.А., Бычков Е.Р., Шабанов П.Д. Роль TOLL-подобных рецепторов в нейроиммунологии алкоголизма // Биомедицинская химия, 2020. Т. 66, № 3. С. 208-215.

4. Айрапетов М.И., Ереско С.О., Бычков Е.Р., Лебедев А.А., Шабанов П.Д. Уровень экспрессии Tollподобных рецепторов изменяется в эмоциогенных структурах мозга крыс в условиях длительной алкоголизации и при отмене этанола // Медицинская иммунология, 2020. Т. 22, № 1. С. 77-86. doi: 10.15789/1563-0625-EOT-1836.

5. Айрапетов М.И., Ереско С.О., Кочкин Д.В., Бычков Е.Р., Лебедев А.А., Шабанов П.Д. Гинзенозиды влияют на систему Toll-подобных рецепторов в структурах головного мозга крыс в условиях отмены длительной алкоголизации // Биомедицинская химия, 2022. Т. 68, № 6. С. 459-469.

6. Airapetov M., Eresko S., Ignatova P., Lebedev A., Bychkov E., Shabanov P. Effect of rifampicin on TLR4- signaling pathways in the nucleus accumbens of the rat brain during abstinence of long-term alcohol treatment. Alcohol. Alcohol., 2024, Vol. 59, no. 3, agae016. doi: 10.1093/alcalc/agae016.

7. Alfonso-Loeches S., Pascual-Lucas M., Blanco A.M., Sanchez-Vera I., Guerri C. Pivotal role of TLR4 receptors in alcohol-induced neuroinflammation and brain damage. J. Neurosci., 2010, Vol. 30, no. 24, pp. 8285-8295.

8. Ali A.E., Mahdy H.M., Elsherbiny D.M., Azab S.S. Rifampicin ameliorates lithium-pilocarpine-induced seizures, consequent hippocampal damage and memory deficit in rats: Impact on oxidative, inflammatory and apoptotic machineries. Biochem. Pharmacol., 2018, Vol. 156, pp. 431-443.

9. Bell R.L., Hauser S.R., McClintick J., Rahman S., Edenberg H.J., Szumlinski K.K., McBride W.J. Ethanol-Associated Changes in Glutamate Reward Neurocircuitry: A Minireview of Clinical and Preclinical Genetic Findings. Prog. Mol. Biol. Transl. Sci., 2016, Vol. 137, pp. 41-85.

10. Bi W., Cheng X., Zeng Z., Zhou R., Luo R., Zhang J., Zhu L. Rifampicin ameliorates lipopolysaccharideinduced cognitive and motor impairments via inhibition of the TLR4/MyD88/NF-B signaling pathway in mice. Neurol. Res., 2021, Vol. 43, no. 5, pp. 358-371.

11. Bi W., Zhu L., Jing X., Zeng Z., Liang Y., Xu A., Liu J., Xiao S., Yang L., Shi Q., Guo L., Tao E. Rifampicin improves neuronal apoptosis in LPS-stimulated co-cultured BV2 cells through inhibition of the TLR-4 pathway. Mol. Med. Rep., 2014, Vol. 10, no. 4, pp. 1793-1799.

12. Blednov Y.A., Ponomarev I., Geil C., Bergeson S., Koob G.F., Harris R.A. Neuroimmune regulation of alcohol consumption: behavioral validation of genes obtained from genomic studies. Addict. Biol., 2012, Vol. 17, no. 1, pp. 108-120.

13. Bodnar T.S., Raineki C., Wertelecki W., Yevtushok L., Plotka L., Zymak-Zakutnya N., Honerkamp-Smith G., Wells A., Rolland M., Woodward T.S., Coles C.D., Kable J.A., Chambers C.D., Weinberg J. Altered maternal immune networks are associated with adverse child neurodevelopment: Impact of alcohol consumption during pregnancy. Brain Behav. Immun., 2018, Vol. 73, pp. 205-215.

14. Caraci F., Gulisano W., Guida C.A., Impellizzeri A.A.R., Drago F., Puzzo D., Palmeri A.A. Key role for TGF-β1 in hippocampal synaptic plasticity and memory. Sci. Rep., 2015, Vol. 5, 11252. doi: 10.1038/srep11252.

15. Chen T., Chen C., Zhang Z., Zou Y., Peng M., Wang Y. Toll-like receptor 4 knockout ameliorates neuroinflammation due to lung-brain interaction in mechanically ventilated mice. Brain Behav. Immun., 2016, Vol. 56, pp. 42-55.

16. Chin P.Y., Dorian C., Sharkey D.J., Hutchinson M.R., Rice K.C., Moldenhauer L.M., Robertson S.A. Tolllike receptor-4 antagonist (+)-naloxone confers sexually dimorphic protection from inflammation-induced fetal programming in mice. Endocrinology, 2019, Vol. 160, no. 11, pp. 2646-2662.

17. Clabough E., Ingersoll J., Reekes T., Gleichsner A., Ryan A. Acute ethanol exposure during synaptogenesis rapidly alters medium spiny neuron morphology and synaptic protein expression in the dorsal striatum. Int. J. Mol. Sci., 2021, Vol. 23, no. 1, pp. 290.

18. Coleman L.G. Jr, Zou J., Crews F.T. Microglial-derived miRNA let-7 and HMGB1 contribute to ethanolinduced neurotoxicity via TLR7. J. Neuroinflammation, 2017, Vol. 14, no. 1, 22. doi: 10.1186/s12974-017-0799-4.

19. Couch A.C.M., Berger T., Hanger B., Matuleviciute R., Srivastava D.P., Thuret S., Vernon A.C. Maternal immune activation primes deficiencies in adult hippocampal neurogenesis. Brain Behav. Immun., 2021, Vol. 97, pp. 410-422.

20. Darbinian N., Darbinyan A., Merabova N., Bajwa A., Tatevosian G., Martirosyan D., Zhao H., Selzer M.E., Goetzl L. Ethanol-mediated alterations in oligodendrocyte differentiation in the developing brain. Neurobiol. Dis., 2021, Vol. 148, 105181. doi: 10.1016/j.nbd.2020.105181.

21. Donzis E.J., Tronson N.C. Modulation of learning and memory by cytokines: Signaling mechanisms and long-term consequences. Neurobiol. Learn. Mem., 2014, Vol. 115, pp. 68-77.

22. Ferguson C., McKay M., Harris R.A., Homanics G.E. Toll-like receptor 4 (Tlr4) knockout rats produced by transcriptional activator-like effector nuclease (TALEN)-mediated gene inactivation. Alcohol, 2013, Vol. 47, no. 8, pp. 595-599.

23. Gano A., Lebonville C.L., Becker H.C. TLR3 activation with poly I:C exacerbates escalated alcohol consumption in dependent male C57BL/6J mice. Am. J. Drug Alcohol Abuse, 2023, Vol. 49, pp. 290-301.

24. Holmes V.A., Wallace J.M., Gilmore W.S., McFaul P., Alexander H.D. Plasma levels of the immunomodulatory cytokine interleukin-10 during normal human pregnancy: a longitudinal study. Cytokine, 2003, Vol. 21, pp. 265-269.

25. Hong A.R., Jang J.G., Chung Y.C., Won S.Y., Jin B.K. Interleukin 13 on Microglia is Neurotoxic in Lipopolysaccharide-injected Striatum in vivo. Exp. Neurobiol., 2022, Vol. 31, no. 1, pp. 42-53.

26. Kaul D., Habbel P., Derkow K., Krüger C., Franzoni E., Wulczyn F.G., Bereswill S., Nitsch R., Schott E., Veh R., Naumann T., Lehnardt S. Expression of Toll-like receptors in the developing brain. PLoS One, 2012, Vol. 7, no. 5, e37767. doi: 10.1371/journal.pone.0037767.

27. Lawrimore C.J., Coleman L.G., Crews F.T. Ethanol induces interferon expression in neurons via TRAIL: role of astrocyte-to-neuron signaling. Psychopharmacology (Berl.), 2019, Vol. 236, no. 10, pp. 2881-2897.

28. Lawrimore C.J., Coleman L.G., Zou J., Crews F.T. Ethanol induction of innate immune signals across BV2 microglia and SH-SY5Y neuroblastoma involves induction of IL-4 and IL-13. Brain Sci., 2019, Vol. 9, no. 9, 228. doi: 10.3390/brainsci9090228.

29. Li Q., Liu D., Pan F., Ho C.S.H., Ho R.C.M. Ethanol exposure induces microglia activation and neuroinflammation through TLR4 activation and SENP6 modulation in the adolescent rat hippocampus. Neural Plast., 2019, Vol. 2019, 1648736. doi: 10.1155/2019/1648736.

30. Livak K.J., Schmittgen T.D. Analysis of relative gene expression data using real-time quantitative PCR and the 2(-Delta Delta C(T)) Method. Methods., 2001, Vol. 25, no. 4, pp. 402-408.

31. Lobo-Silva D., Carriche G.M., Gil Castro A., Roque S., Saraiva M. Balancing the immune response in the brain: IL-10 and its regulation. J. Neuroinflammation, 2016, Vol. 13, 2081. doi: 10.1186/s12974-016-0763-8.

32. MacDowell K.S., Munarriz-Cuezva E., Caso J.R., Madrigal J.L., Zabala A., Meana J.J., García-Bueno B., Leza J.C. Paliperidone reverts Toll-like receptor 3 signaling pathway activation and cognitive deficits in a maternal immune activation mouse model of schizophrenia. Neuropharmacology, 2017, Vol. 116, pp. 196-207.

33. Mantovani A., Sica A., Sozzani S., Allavena P., Vecchi A., Locati M. The chemokine system in diverse forms of macrophage activation and polarization. Trends Immunol., 2004, Vol. 25, pp. 677-686.

34. Maroso M., Balosso S., Ravizza T., Liu J., Bianchi M.E., Vezzani A. Interleukin-1 type 1 receptor/Toll-like receptor signalling in epilepsy: the importance of IL-1beta and high-mobility group box 1. J. Intern. Med., 2011, Vol. 270, no. 4, pp. 319-326.

35. Mattson S.N., Bernes G.A., Doyle L.R. Fetal alcohol spectrum disorders: a review of the neurobehavioral deficits associated with prenatal alcohol exposure. Alcohol Clin. Exp. Res., 2019, Vol. 43, no. 6, pp. 1046-1062.

36. Meyer U., Murray P.J., Urwyler A., Yee B.K., Schedlowski M., Feldon J. Adult behavioral and pharmacological dysfunctions following disruption of the fetal brain balance between pro-inflammatory and IL-10-mediated antiinflammatory signaling. Mol. Psychiatry, 2008, Vol. 13, pp. 208-221.

37. Mori S., Sugama S., Nguyen W., Michel T., Sanna M.G., Sanchez-Alavez M., Cintron-Colon R., Moroncini G., Kakinuma Y., Maher P., Conti B. Lack of interleukin-13 receptor α1 delays the loss of dopaminergic neurons during chronic stress. J. Neuroinflammation, 2017, Vol. 14, 88. doi: 10.1186/s12974-017-0862-1

38. Mousa A., Seiger A., Kjaeldgaard A., Bakhiet M. Human first trimester forebrain cells express genes for inflammatory and anti-inflammatory cytokines. Cytokine, 1999, Vol. 11, pp. 55–60.

39. Nolvi S., Merz E.C., Kataja E.L., Parsons C.E. Prenatal Stress and the Developing Brain: Postnatal Environments Promoting Resilience. Biol. Psychiatry, 2023, Vol. 93, no. 10, pp. 942-952.

40. Ochoa-Repáraz J., Rynda A., Ascón M.A., Yang X., Kochetkova I., Riccardi C., Callis G., Trunkle T., Pascual D.W. IL-13 production by regulatory T cells protects against experimental autoimmune encephalomyelitis independently of autoantigen. J. Immunol., 2008, Vol. 181, pp. 954-968.

41. O’Loughlin E., Pakan J.M.P., Yilmazer-Hanke D., McDermott K.W. Acute in utero exposure to lipopolysaccharide induces inflammation in the pre- and postnatal brain and alters the glial cytoarchitecture in the developing amygdala. J. Neuroinflammation, 2017, Vol. 14, no. 1, 212. doi: 10.1186/s12974-017-0981-8.

42. Qin L., Zou J., Barnett A., Vetreno R.P., Crews F.T., Coleman L.G.Jr. TRAIL mediates neuronal death in AUD: a link between neuroinflammation and neurodegeneration. Int. J. Mol. Sci., 2021, Vol. 22, no. 5, 2547. doi: 10.3390/ijms22052547.

43. Riley E.P., Infante M.A., Warren K.R. Fetal alcohol spectrum disorders: an overview. Neuropsychol. Rev., 2011, Vol. 21, pp. 73-78.

44. Rizzo M.D., Crawford R.B., Bach A., Sermet S., Amalfitano A., Kaminski N.E. Imiquimod and interferonalpha augment monocyte-mediated astrocyte secretion of MCP-1, IL-6 and IP-10 in a human co-culture system. J. Neuroimmunol., 2019, Vol. 333, 576969. doi: 10.1016/j.jneuroim.2019.576969.

45. Shenoda B.B. An overview of the mechanisms of abnormal GABAergic interneuronal cortical migration associated with prenatal ethanol exposure. Neurochem. Res., 2017, Vol. 42, no. 5, pp. 1279-1287.

46. Shin W.H., Lee D.Y., Park K.W., Kim S.U., Yang M.S., Joe E.H., Jin B.K. Microglia expressing interleukin-13 undergo cell death and contribute to neuronal survival in vivo. Glia, 2004, Vol. 46, no. 2, pp. 142-152.

47. Shukla P.K., Meena A.S., Rao R., Rao R. Deletion of TLR-4 attenuates fetal alcohol exposure-induced gene expression and social interaction deficits. Alcohol, 2018, Vol. 73, pp. 73-78.

48. Siegel A., Zalcman S.S. The neuroimmunological basis of behavior and mental disorders. New York: Springer, 2008. 454 p.

49. Sowell K.D., Uriu-Adams J.Y., Van de Water J., Chambers C.D., Coles C.D., Kable J.A., Yevtushok L., Zymak-Zakutnya N., Wertelecki W., Keen C.L. Collaborative Initiative on Fetal Alcohol Spectrum Disorders (CIFASD). Implications of altered maternal cytokine concentrations on infant outcomes in children with prenatal alcohol exposure. Alcohol, 2018, Vol. 68, pp. 49-58.

50. Usui N., Kobayashi H., Shimada S. Neuroinflammation and oxidative stress in the pathogenesis of autism spectrum disorder. Int. J. Mol. Sci., 2023, Vol. 24, no. 6, 5487.

51. Vetreno R.P., Crews F.T. Adolescent binge drinking increases expression of the danger signal receptor agonist HMGB1 and toll-like receptors in the adult prefrontal cortex. Neuroscience, 2012, Vol. 226, pp. 475-488.

52. Vivien D., Ali C. Transforming growth factor-β signalling in brain disorders. Cytokine Growth Factor Rev., 2006, Vol. 17, pp. 121-128.

53. Vizuete A.F.K., Mussulini B.H., Zenki K.C., Baggio S., Pasqualotto A., Rosemberg D.B., Bogo M.R., Oliveira D.L., Rico E.P. Prolonged ethanol exposure alters glutamate uptake leading to astrogliosis and neuroinflammation in adult zebrafish brain. Neurotoxicology, 2021, Vol. 88, pp. 57-64.

54. Wang P., Liu B.Y., Wu M.M., Wei X.Y., Sheng S., You S.W., Shang L.X., Kuang F. Moderate prenatal alcohol exposure suppresses the TLR4-mediated innate immune response in the hippocampus of young rats. Neurosci. Lett., 2019, Vol. 699, pp. 77-83.

55. Wang X., Grace P.M., Pham M.N., Cheng K., Strand K.A., Smith C., Li J., Watkins L.R., Yin H. Rifampin inhibits Toll-like receptor 4 signaling by targeting myeloid differentiation protein 2 and attenuates neuropathic pain. FASEB J., 2013, Vol. 27, no. 7, pp. 2713-2722.

56. Woods R.M., Lorusso J.M., Potter H.G., Neill J.C., Glazier J.D., Hager R. Maternal immune activation in rodent models: A systematic review of neurodevelopmental changes in gene expression and epigenetic modulation in the offspring brain. Neurosci. Biobehav. Rev., 2021, Vol. 129, pp. 389-421.

57. Zahednasab H., Firouzi M., Kaboudanian-Ardestani S., Mojallal-Tabatabaei Z., Karampour S., Keyvani H. The protective effect of rifampicin on behavioral deficits, biochemical, and neuropathological changes in a cuprizone model of demyelination. Cytokine, 2019, Vol. 113, pp. 417-426.

58. Zhou X., Spittau B., Krieglstein K. TGFβ signalling plays an important role in IL4-induced alternative activation of microglia. J. Neuroinflammation, 2012, Vol. 9, 210.