Enhancing neurogenesis after traumatic brain injury: The role of adenosine kinase inhibition in promoting neuronal survival and differentiation

Campbell A, Lai T, Wahba AE, Boison D, Gebril HM. Exp Neurol. 2024 Nov;381:114930. doi: 10.1016/j.expneurol.2024.114930. Epub 2024 Aug 21. PMID: 39173898; PMCID: PMC12042129.

[Abstract]

Traumatic brain injury (TBI) presents a significant public health challenge, necessitating innovative interventions for effective treatment. Recent studies have challenged conventional perspectives on neurogenesis, unveiling endogenous repair mechanisms within the adult brain following injury. However, the intricate mechanisms governing post-TBI neurogenesis remain unclear. The microenvironment of an injured brain, characterized by astrogliosis, neuroinflammation, and excessive cell death, significantly influences the fate of newly generated neurons. Adenosine kinase (ADK), the key metabolic regulator of adenosine, emerges as a crucial factor in brain development and cell proliferation after TBI. This study investigates the hypothesis that targeting ADK could enhance brain repair, promote neuronal survival, and facilitate differentiation. In a TBI model induced by controlled cortical impact, C57BL/6 male mice received intraperitoneal injections of the small molecule ADK inhibitor 5-iodotubercidin (ITU) for three days following TBI. To trace the fate of TBI-associated proliferative cells, animals received intraperitoneal injections of BrdU for seven days, beginning immediately after TBI. Our results show that ADK inhibition by ITU improved brain repair 14 days after injury as evidenced by a diminished injury size. Additionally, the number of mature neurons generated after TBI was increased in ITU-treated mice. Remarkably, the TBI-associated pathological events including astrogliosis, neuroinflammation, and cell death were arrested in ITU-treated mice. Finally, ADK inhibition modulated cell death by regulating the PERK signaling pathway. Together, these findings demonstrate a novel therapeutic approach to target multiple pathological mechanisms involved in TBI. This research contributes valuable insights into the intricate molecular mechanisms underlying neurogenesis and gliosis after TBT.

[초록 요약]

외상성 뇌손상(TBI)은 회복 과정에서 신경 생성이 가능하지만, 염증과 세포 사멸 등 병리적 환경이 이를 방해한다.

본 연구는 아데노신의 대사 조절자인 Adenosine kinase(ADK)가 뇌 발달 및 TBI 후 세포 증식에 중요한 역할을 한다는 점에 주목하여, ADK 억제가 뇌 회복을 촉진하고 신경세포 생존 및 분화를 유도할 수 있다는 가설을 검증한다. 이를 위해 controlled cortical impact(CCI)를 통해 TBI를 유도한 C57BL/6 수컷 생쥐 모델에, 소분자 ADK 억제제인 5- iodotubercidin (ITU)을 TBI 후 3일간 복강 주사한다. 신경세포 증식을 추적하기 위해 BrdU를 TBI 직후부터 7일간 주사한다.

연구 결과, ADK 억제를 통해 손상 부위가 14일 후 유의하게 감소하며, 성숙한 신경세포 수가 증가한다. 또한 성상세포증, 염증 반응, 세포 사멸 등의 병리적 현상이 ITU 투여군에서 억제된다. 마지막으로, ADK 억제는 PERK 신호 전달 경로를 조절하여 세포 사멸을 조절한다.

결론적으로, 본 연구는 TBI에 수반되는 다양한 병리적 기전을 동시에 조절할 수 있는 새로운 치료 전략으로서 ADK 억제의 가능성을 제시하며, TBI 후 신경 생성 및 아교세포 반응에 대한 분자 수준의 이해를 심화한다.

[본문 요약]

1. Introduction

외상성 뇌손상(TBI)은 심각한 공중 보건 문제로, 효과적인 치료법이 부족한 상황에서 성인 뇌의 내인성 신경 생성 능력에 주목한 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 연구는 아데노신 대사 조절 효소인 Adenosine kinase(ADK)가 TBI 이후 신경세포 생존과 분화에 미치는 영향을 분석하였다. Moderate-to-severe TBI 마우스 모델에서 ADK 억제제(5-iodotubercidin)를 투여한 결과, 손상 부위가 감소하고, 새로운 신경세포의 생존이 촉진되었으며, 아교세포 반응과 염증 반응도 완화되었다. 이는 ADK 억제가 TBI 이후의 병리적 미세환경을 조절하고 내인성 뇌 재생을 유도하는 유망한 치료 전략임을 시사한다.

2. Methods

이 연구는 2개월령 수컷 C57BL/6 생쥐를 대상으로 외상성 뇌손상(TBI) 모델을 구축하고, Adenosine kinase(ADK) 억제제인 5-iodotubercidin(5-ITU)의 효과를 분석하였다. TBI 유도는 controlled cortical impact (CCI) 방법을 사용하였고, 이후 ADK 억제제와 BrdU를 일정 기간 동안 투여하였다. 다양한 분석을 위해 western blot, 면역조직염색(IHC), Nissl 염색, TUNEL assay 등을 실시하였다. 손상 부위의 크기, 세포 사멸, 신경세포 및 아교세포의 수를 정량화하여 ADK 억제의 신경생성 및 손상 완화 효과를 평가하였다.

3. Results

3.1. Adenosine kinase 억제는 TBI 후 신경세포 생존 및 분화를 촉진한다

TBI는 손상된 뇌를 회복하려는 내인성 신경발생을 유도한다. ADK 유전자 또는 약물 억제는 TBI 후 신경세포 생성과 세포 증식을 유도한다고 알려져 있다. 본 연구에서는 TBI 후 14일 시점에서 ADK 억제가 신경세포의 생존과 분화에 미치는 영향을 확인한다. 5-ITU 투여군은 손상 부위의 공동 부피가 유의하게 감소하며, 성숙한 신경세포 마커인 NeuN과 BrdU의 이중 양성 세포 수가 증가한다. 총 BrdU 양성 세포 수는 유의한 차이를 보이지 않는다. 따라서 ITU는 ADK를 억제함으로써 조직 회복과 신경세포 생존 및 분화를 촉진한다고 판단된다.

3.2. TBI 유도성 신경교세포 반응은 뇌 회복의 표적이 될 수 있다

TBI 후 발생하는 Gliosis는 신경세포 손상과 염증, 인지 기능 저하를 유도한다. ITU 투여군에서는 GFAP 양성 세포와 GFAP/BrdU 이중 양성 세포 수가 유의하게 감소한다. 이는 ITU가 성상세포 반응을 억제함을 시사한다. BrdU 양성 세포의 분포 분석 결과, hilus 영역에서 증가가 관찰되며 이는 대조군에서 신경세포가 아닌 교세포의 증식을 나타낸다. IBA1 면역염색을 통해 미세아교세포 활성도 분석한 결과, ITU 투여군에서 IBA1 양성 세포 수가 감소한다. 종합적으로 ITU는 ADK 억제를 통해 교세포 반응을 조절하고 뇌 손상 후 회복을 촉진한다고 본다.

3.3. Adenosine kinase 억제는 세포사멸을 억제하고 PERK 경로를 조절한다

TBI 후 주요 병리 현상 중 하나는 세포사멸이다. TUNEL 염색 결과, ITU 투여군에서 세포사멸이 유의하게 감소한다. PAKT 및 PERK 단백질의 활성 여부를 Western blot으로 분석한 결과, PAKT는 변화가 없으나 PERK는 ITU 투여군에서 유의하게 감소한다. 이는 ADK 억제가 PERK 신호 경로를 억제하여 TBI 관련 세포사멸을 줄이는 기전을 갖는다고 판단된다.

4. Discussion

본 연구에서는 TBI-induced neurogenesis에서 ADK의 역할을 조사했다. 개방 두개골 CCI 방법을 사용하여 TBI를 마우스에 모델링하고 TBI와 관련된 세포 증식을 추적했다. 연구 결과, ITU를 통한 ADK 억제가 TBI 후 조직 수리, 신경 세포 생존 및 분화를 촉진하는 것을 확인했다. 또한, ADK 억제는 TBI와 관련된 gliosis와 세포 사멸을 억제하며, PERK 활성화 억제와 관련이 있음을 보여주었다.

4.1. 아데노신 대사 타겟팅은 조직 수리 및 신경 세포 생존을 촉진하는 치료법이다

ADK 억제는 마우스에서 TBI 후 뇌 수리와 신경 세포 생존을 촉진하는 것으로 나타났다. ADK 억제는 세포 증식 및 신경 가소성을 향상시키며, ADK는 뇌 발달, 세포 증식 및 신경 분화에서 중요한 역할을 한다. TBI 후 ADK 발현은 신경 세포 사멸과 동시적으로 증가하며, ADK 억제는 뇌 손상을 완화하는 데 효과적이다.

4.2. ADK 억제를 통한 astrogliosis 및 신경 염증 타겟팅

중추 신경계(CNS)의 손상에 대한 반응은 다양한 신경 및 비신경 세포들이 협력하여 발생한다. 본 연구에서는 ITU 처리 후 TBI-induced astrocytes와 microglia 세포 수가 유의미하게 감소하는 것을 확인했다. ADK의 과발현은 TBI 후 astrocytes에서 발생하며, 이는 TBI와 관련된 gliosis와 관련이 있다. ADK 억제는 신경 염증을 감소시키고 회복을 촉진하는 효과가 있다.

4.3. PERK 경로를 통한 TBI 유도 세포사멸 억제

TBI 후 세포사멸은 신경 염증과 glial activation을 포함한 다양한 기전에 의해 유발된다. 본 연구는 ITU를 통한 ADK 억제가 PERK 경로를 조절하고, TBI-induced 세포사멸을 억제하는데 효과적임을 보여주었다. PERK 경로는 TBI 후 신경 세포 사멸에 중요한 역할을 하며, ADK 억제를 통해 이 경로를 억제함으로써 신경 세포 사멸을 줄이고 회복을 촉진할 수 있다.

5. Conclusions

TBI는 과도한 세포 사멸, 신경 염증, astrogliosis 등 2차적인 사건을 유발하며, 이는 내인성 신경 생성과 주요 병변의 확장에 영향을 미친다. 내인성 신경 생성을 활용하고 손상된 미세환경을 조절하는 것은 뇌 손상 치료 전략으로 제시될 수 있다. 본 연구는 ADK를 타겟팅하는 것이 TBI 후 신경 세포 생존을 향상시키고, 동시에 TBI 유도 세포 사멸, astrogliosis 및 신경 염증을 억제하는 잠재적인 치료법이 될 수 있음을 입증했다.