Modulating monocyte-derived macrophage polarization in cerebral ischemic injury with type 1 diabetes

Abstract

Ischemic stroke (IS) which is fatal with high mortality is caused by reduction or blockage of blood flow to the brain. In the case of type 1 diabetes mellitus (T1DM), the risk of ischemic stroke is 6.3 times higher than in normal people. Hyperglycemia in T1DM induces an increase in oxidative stress and Blood-Brain Barrier (BBB) disruption, which increases the influx of blood immune cells into the brain parenchyma. In cerebral ischemia, it has been reported that infiltrating monocytes differentiate into pro-inflammatory or antiinflammatory macrophages, having a large effect on outcomes of ischemic stroke. In addition, some studies have reported that interleukin-4 (IL-4) and interleukin-13 (IL-13) play a role in the post-ischemia repair process by polarizing infiltrating monocytes to an anti-inflammatory phenotype. In this study, we aimed to figure out the effect of phenotypical polarization of monocyte-derived macrophages on the prognosis in cerebral ischemia with T1DM. We first established a T1DM mice model using streptozotocin (150 mg/kg) and these mice were subjected to transient middle cerebral artery occlusion. We observed that BBB permeability was increased in T1DM mice and T1DM-IS mice exhibited aggravated infarct volume through 2,3,5-triphenyltetrazolium chloride staining, two-photon live imaging, and Evans blue staining. Also, we confirmed increased infiltration of monocyte-derived macrophages and downregulated anti-inflammatory cells, which are related to tissue remodeling after inflammation, in the infarct area of T1DM-IS mice through immunohistochemistry, western blotting, and flow cytometry. We have observed the phenotypical changes of monocyte-derived macrophages, alleviated infarct volume, and improvement of motor function in T1DM-IS mice administered IL-4 and IL13. These data suggest that modulating phenotypical changes of macrophages in T1DM mice following ischemic stroke might influence the ischemic recovery. 높은 사망률로 치명적인 허혈성 뇌졸중 (Ischemic stroke, IS)은 뇌로 가는 혈류의 감소나 막힘에 의해 발생한다. 제1형 당뇨병 (Type 1 diabetes mellitus, T1DM) 환자의 경우 허혈성 뇌졸중 위험이 정상인보다 6.3배 높다. T1DM의 특징인 고혈당증은 산화 스트레스의 증가와 혈액-뇌 장벽 붕괴를 유도하여 단핵구를 포함한 혈액 면역 세포의 뇌 실질조직으로의 유입을 증가시킬 수 있다. 대뇌 허혈에 따른 염증 반응에서, 단핵구는 뇌 실질조직으로 침투해 전염증성 또는 항염증성 대식세포로 분화되어 허혈성 뇌졸중의 결과에 큰 영향을 미친다고 보고되었다. 또한, interleukin-4 (IL-4)와 interleukin-13 (IL-13)이 허혈 후 복구 과정에서 뇌 실질조직에 침투한 단핵구를 항염증성 표현형으로 분극화하는 역할을 한다는 연구가 존재한다. 본 연구에서는 단핵구 유래 대식세포의 표현형 분극화가 제1형 당뇨병으로 인한 뇌 허혈의 예후에 미치는 영향을 알아보고자 하였다. 우리는 먼저 스트렙토조토신 (150 mg/kg)을 사용하여 T1DM 마우스 모델을 확립하였고, 이 마우스들은 일시적인 중뇌동맥 폐색 수술을 받았다. 우리는 2,3,5-triphenyltetrazolium chloride 염색과 two-photon live imaging, Evans blue staining을 통해 T1DM 마우스와 T1DM-IS 마우스에서 혈액-뇌 장벽의 손상과 경색 부피가 증가하는 것을 관찰하였다. 또한 T1DM-IS 마우스에서 단핵구의 침투가 증가하며 항염증성 단핵구 유래 대식세포가 감소해 있음을 면역조직화학법, 웨스턴 블랏, 유세포 분석을 통해 확인하였다. 다음으로, 우리는 IL-4와 IL-13을 투여한 T1DM-IS 마우스에서 단핵구 유래 대식세포의 항염증성 표현형으로의 분극이 증가하였으며 경색 부피가 완화되고 운동기능이 회복됨을 관찰했다. 이러한 결과는 당뇨와 같이 대사성 질환을 가지고 있는 동물에서 허혈성 뇌졸중 발생 시에, 단핵구 유래 대식세포의 표현형 조절이 허혈성 뇌졸중으로 인한 손상을 회복시킬 수 있음을 시사한다.