NLRP3 aggravates EAE pathogenesis by modulating BBB permeability and neutrophil functionality in the mouse brain

Abstract

Neutrophil infiltration and neutrophil extracellular traps (NETs) have been reported to be linked with several brain disorders, such as experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE). Studies have demonstrated that NLRP3, an intracellular sensor molecule, affects neutrophil functionality and infiltration in the inflamed brain. However, the detailed molecular mechanisms underlying the NLRP3 inflammasome in these processes is largely unknown. Furthermore, the molecular pathway by which the NLRP3 inflammasome contributes to EAE progression is still elusive. The findings of this study showed that neutrophils lead to initial neuroinflammation through NLRP3 expression. While NLRP3 is dispensable for neutrophil priming, it is essential for neutrophil infiltration. Especially, NLRP3 activation in neutrophils induced CXCR2-dependent BBB disruption and neutrophil infiltration to brain through increasing CXCL1 and CXCL2 expression. Moreover, CXCL1 and CXCL2, produced by astrocytes, pericytes, neutrophils, and endothelial cells in the inflamed brain, can directly reduce Claudin-5 expression, a junctional protein that regulates BBB permeability, in brain endothelial cells. In EAE model, the data showed that during EAE pathogenesis, neutrophils infiltrate the CNS and form NETs, leading to their accumulation. In addition, NLRP3 inflammasome promotes the generation of NET, exacerbating EAE severity by facilitating the infiltration of CD4+IL-17A+, CD4+IFN-γ+, and CD4+IFN-γ+IL-17A+ cells to the CNS and contributing demyelination. The findings of this study indicate that the NLRP3 inflammasome regulates the migration pattern and functional phenotypes of neutrophils, enhancing their infiltration and ROS-mediated NET formation in brains. Thus, targeting the NLRP3 inflammasome could be considered a therapeutic strategy to reduce BBB disruption, neutrophil infiltration, and NET generation in the brain, thereby lessening the severity of EAE.

호중구 침윤 및 호중구 세포외 덫 (NETs)은 다발성 경화증 (MS) 및 실험적 자가면역 뇌척수염 (EAE)을 포함한 여러 뇌 질환의 병리에서 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있다. 선행 연구에 의하면 세포 내 센서 분자인 NLRP3가 염증이 있는 뇌에서 호중구의 기능과 이동성에 영향을 미칠 수 있음이 보고된 바 있다. 그러나 NLRP3 염증복합체가 뇌로의 호중구 침윤 과정에서 작용하는 구체적인 분자 기전은 거의 알려져 있지 않다. 뿐만 아니라 여러 연구에 의해 NLRP3의 부재가 EAE의 중증도를 완화시킬 수 있음이 확인되었지만, NLRP3가 EAE 병인에 미치는 역할과 NET 형성에 대한 기전에 관해 아직 완전히 이해되지 않았다. 본 연구의 결과, 호중구가 NLRP3 발현을 통해 초기 신경염증에 기여하는 것이 관측되었으며 NLRP3는 호중구 초기 활성화에는 필요하지 않지만, 호중구 침윤에는 필수적인 것 또한 관측되었다. 특히, 호중구에서의 NLRP3 활성화는 CXCL1과 CXCL2 발현을 증가시켜 CXCR2 의존적인 BBB 손상과 뇌조직으로의 호중구 침윤을 유도했다. 또한, 염증이 있는 뇌에서 성상세포, 혈관주위세포, 호중구 및 내피세포에 의해 생성된 CXCL1과 CXCL2는 뇌 내피세포에서 BBB 투과성을 조절하는 결합 단백질인 claudin-5의 발현을 직접적으로 감소시킬 수 있음을 확인했다. EAE 모델을 활용한 본 연구의 결과에선, EAE 병인 동안 호중구가 중추신경계로 침윤 및 NETs를 형성하고, 생성된 NETs는 뇌조직내 축적된다는 것이 관측되었다. 추가적으로, NLRP3는 주로 뇌에서 NET 형성을 촉진하여 Th1 및 Th17 세포의 중추신경계로의 유입을 촉진하고 탈 수초화를 유도함으로써 EAE의 중증도를 악화시킴을 확인했다. 이 연구는 NLRP3가 호중구의 이동 패턴과 기능적 표현형을 조절하여 뇌 조직에서의 침윤과 ROS-의존적인 NET 형성을 촉진한다는 증거를 제공한다. 결과적으로, NLRP3를 억제하는 것은 BBB 손상, 호중구 침윤 및 뇌에서의 NET 형성을 줄여 EAE의 중증도를 완화시키는 치료 전략으로 고려될 수 있음을 시사한다.