Investigating the role of brainstem neuroinflammation in cardiorespiratory control in a rat model of recurrent epilepsy

研究脑干神经炎症在复发性癫痫大鼠模型心肺控制中的作用

基本信息

  • 批准号:
    10676746
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 4.98万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2022
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2022-07-01 至 2025-06-30
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

Abstract: Epilepsy is one of the most common neurological conditions in the world. Treatment with anti-epileptic drugs (AEDs) prevent recurrent seizures in ~70% of patients with epilepsy, but the remaining 30% of patients with refractory epilepsies continue to experience uncontrolled seizures. The negative consequences of repeated seizures include post-ictal cardiorespiratory suppression putting these patients at high risk of Sudden Unexpected Death in Epilepsy (SUDEP). Fundamental knowledge gaps exist in our understanding of how repeated seizures disrupt the vital cardiorespiratory control systems in the brain. A factor commonly identified in many neurological conditions including epilepsy is neuroinflammation, which supports beneficial functions in health but is dysregulated in epilepsy patients and animal models of seizure disorder. Key cells within the CNS mediating pathological neuroinflammation are resident microglia and astrocytes, which have also been shown to be dysfunctional in human epilepsy. However, it is not known what mechanistic role the glial-derived neuroinflammation plays in the impairment of cardiorespiratory control or increased SUDEP risk. Here, I hypothesize that repeated seizures lead to activation of neuroinflammation mediated by microglia within key brainstem regions controlling cardiorespiratory function causing a progressive decline in these vital functions. Published and preliminary data in our novel rat model with genetic mutations in a gene (kcnj16) encoding an inwardly-rectifying potassium ion channel (Kir5.1; SSkcnj16-/- rats) show that repeated sound-induced seizures (1/day for up to 10 days) lead to progressively more severe post-ictal cardiorespiratory suppression and unexpected mortality particularly in male rats. Through snRNA sequencing and bioinformatic pathway analyses of transcriptomic changes specifically within microglial cells in the medullary raphe (key breathing control region) identified significant predicted activation of IL-1ß signaling following repeated seizures, consistent with immunofluorescent brainstem tissue analyses. Here I propose two Specific Aims which: 1) characterize cell- specific transcriptomic shifts in gene expression within key cardiorespiratory control regions to identify key cells types and pathways mediating local neuroinflammation leading to neuronal dysfunction, and 2) functionally test the roles of microglia and IL-1 signaling in the brain in mediating the progressive cardiorespiratory suppression and/or unexpected seizure-induced mortality. Identifying neuroinflammatory signals/pathways induced by repeated seizures within distinct neural circuits in our novel rat model will enhance our understanding of the pathophysiological consequences of uncontrolled seizures in patients with refractory epilepsy, and hold the potential for identifying new therapeutic targets aimed at preventing seizure-induced cardiorespiratory dysfunction function and reduce SUDEP risk.
摘要:癫痫是世界上最常见的神经系统疾病之一。用抗癫痫病治疗 药物(AED)可预防约70%的癫痫患者的复发性癫痫发作,但其余30% 随着难治性的发作,继续经历了不受控制的癫痫发作。重复的负面后果 癫痫发作包括肌肉呼吸抑制,使这些患者处于突然的高风险 癫痫病意外死亡(SUDEP)。基本知识差距存在于我们对如何的理解中 重复的癫痫发作破坏了大脑中重要的心肺控制系统。通常在 包括癫痫在内的许多神经系统疾病是神经炎症,它支持有益的功能 健康,但在癫痫患者和癫痫疾病的动物模型中患有失调。中枢神经系统内的钥匙单元 介导的病理神经炎症是居民小胶质细胞和星形胶质细胞,也已显示 在人癫痫中功能失调。但是,尚不知道神经胶质的作用是什么机械作用 神经炎症在心肺控制损害或增加SUDEP风险方面发挥作用。在这里,我 假设重复的癫痫发作会导致小胶质细胞介导的神经炎症激活 控制心肺功能的关键脑干区域导致这些重要的逐渐下降 功能。在我们的新型大鼠模型中发表和初步数据,具有基因中的基因突变(KCNJ16) 编码向内矫正的钾离子通道(Kir5.1; sskcnj16 - / - 大鼠)表明重复的声音诱导 癫痫发作(最多为10天1天)导致逐渐严重的心脏呼吸抑制和 意外死亡,尤其是在雄性大鼠中。通过SNRNA测序和生物信息学途径分析 在髓质Raphe(钥匙呼吸控制区域)中的小胶质细胞内的转录组变化的变化 鉴定出重复癫痫发作后IL-1ß信号传导的显着预测激活,与 免疫荧光脑干组织分析。在这里,我提出了两个具体目标:1)表征细胞 - 钥匙心肺控制区域内基因表达的特定转录组移动,以识别钥匙细胞 介导局部神经炎症的类型和途径导致神经元功能障碍,以及2)功能测试 小胶质细胞和IL-1信号在大脑中的作用在介导进行性心肺抑制 和/或意外癫痫发作的死亡率。识别由 在我们新颖的大鼠模型中,在不同神经回路中反复癫痫发作将增强我们对 难治性癫痫患者不受控制的癫痫发作的病理生理后果,并保持 识别旨在防止癫痫发作诱发心脏呼吸诱导的新治疗靶标的潜力 功能障碍功能并降低SUDEP风险。

项目成果

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