Annals of Clinical and Experimental NeurologyAnnals of Clinical and Experimental NeurologyАнналы клинической и экспериментальной неврологии2075-54732409-2533Eco-Vector110210.17816/ACEN.1102Original articlesОригинальные статьиResearch ArticleImmunomorphologic assessment of changes in functional astroglial proteins in a kainate-induced hippocampal sclerosis modelИммуноморфологическая оценка изменений функциональных белков астроглии на индуцированной каинатом модели склероза гиппокампаhttps://orcid.org/0000-0001-5222-5322VoronkovDmitry N.ВоронковДмитрий Николаевич
Russian Federation

Cand. Sci. (Med.), senior researcher, Laboratory of neuromorphology, Brain Institute, Research Center of Neurology

к.м.н., с.н.с. лаб. нейроморфологии Института мозга Научного центра неврологии

voronkov@neurology.ruhttps://orcid.org/0000-0001-7112-2556EgorovaAnna V.ЕгороваАнна Валериевна
Russian Federation

Cand. Sci. (Med.), researcher, Neuromorphology laboratory, Brain Institute, Research Center of Neurology; Associate Professor, Department of histology, embryology and cytology, Pirogov Russian National Research Medical University

к.м.н., н.с. лаб. нейроморфологии Института мозга Научного центра неврологии; доцент каф. гистологии, эмбриологии и цитологии РНИМУ им. Н.И. Пирогова

av_egorova@bk.ruhttps://orcid.org/0000-0002-2128-9056FedorovaEvgenia N.ФедороваЕвгения Николаевна
Russian Federation

research laboratory assistant, Neuromorphology laboratory, Brain Institute, Research Center of Neurology; assistant, Department of histology, embryology and cytology, Pirogov Russian National Research Medical University

лаборант-исследователь лаб. нейроморфологии Института мозга Научного центра неврологии; ассистент каф. гистологии, эмбриологии и цитологии РНИМУ им. Н.И. Пирогова

ewgenia.feodorowa2011@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-8689-0934StavrovskayaAlla V.СтавровскаяАлла Вадимовна
Russian Federation

Cand. Sci. (Biol.), Head, Laboratory of experimental pathology of the nervous system and neuropharmacology, Brain Institute, Research Center of Neurology

к.б.н., зав. лаб. экспериментальной патологии нервной системы и нейрофармакологии Института мозга Научного центра неврологии

stavrovskaya.al@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-7471-3738PotapovIvan A.ПотаповИван Александрович
Russian Federation

junior researcher, Laboratory of experimental pathology of the nervous system and neuropharmacology, Brain Institute, Research Center of Neurology

м.н.с. лаб. экспериментальной патологии нервной системы и нейрофармакологии Института мозга Научного центра неврологии

potapov.i.a@neurology.ruhttps://orcid.org/0009-0006-5653-5524PavlovaAnastasiya K.ПавловаАнастасия Кирилловна
Russian Federation

research laboratory assistant, Laboratory of experimental pathology of the nervous system and neuropharmacology, Brain Institute, Research Center of Neurology

лаборант-исследователь лаб. экспериментальной патологии нервной системы и нейрофармакологии Института мозга Научного центра неврологии

pav_nastasya@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-0552-6939SukhorukovVladimir S.СухоруковВладимир Сергеевич
Russian Federation

D. Sci. (Med.), Head, Laboratory of neuromorphology, Brain Institute, Research Center of Neurology; Professor, Department of histology, embryology and cytology, Pirogov Russian National Research Medical University

д.м.н., зав. лаб. нейроморфологии Института мозга Научного центра неврологии; профессор каф. гистологии, эмбриологии и цитологии РНИМУ им. Н.И. Пирогова

sukhorukov@neurology.ruResearch Center of NeurologyНаучный центр неврологииPirogov Russian National Research Medical UniversityРоссийский национальный исследовательский медицинский университет им. Н.И. Пирогова0807202418234440703202403052024Copyright ©; 2024, Voronkov D.N., Egorova A.V., Fedorova E.N., Stavrovskaya A.V., Potapov I.A., Pavlova A.K., Sukhorukov V.S.Copyright ©; 2024, Воронков Д.Н., Егорова А.В., Федорова Е.Н., Ставровская А.В., Потапов И.А., Павлова А.К., Сухоруков В.С.2024Voronkov D.N., Egorova A.V., Fedorova E.N., Stavrovskaya A.V., Potapov I.A., Pavlova A.K., Sukhorukov V.S.Воронков Д.Н., Егорова А.В., Федорова Е.Н., Ставровская А.В., Потапов И.А., Павлова А.К., Сухоруков В.С.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://annaly-nevrologii.com/pathID/article/view/1102

Introduction. Astrocytes are involved in mediator metabolism, neuroplasticity, energy support of neurons and neuroinflammation, and this determines their pathogenetic role in epilepsy.

Aim. This study aimed at evaluating region-specific changes in the distribution of functional astroglial proteins in reactive astrocytes in a kainate-induced model of mesial temporal lobe epilepsy.

Materials and methods. The localization and expression of functional astroglial proteins (i.e. aquaporin-4, connexin-43, EAAT1/2, and glutamine synthetase) in the hippocampus CA3 region, dentate gyrus, and stratum lucidum layer were evaluated by immunofluorescence 28 days after intra-hippocampal administration of kainic acid to animals.

Results. Changes were heterogeneous in different hyppocampus subregions. Astrocytes of the stratum lucidum associated with mossy fibers showed the highest vulnerability and decreased content and/or disturbed localization of the channels and transporters that form membrane complexes in the processes. Disturbances in homeostatic functions of astrocytes aggravated the adverse processes both on the side where the toxin was injected and in the contralateral hippocampus.

Введение. Участие астроцитов в медиаторном обмене, нейропластичности, энергетической поддержке нейронов и нейровоспалении определяет их патогенетическую роль при эпилепсии.

Цель исследования — оценка регионально-специфических изменений распределения функциональных белков астроглии в реактивных астроцитах при каинат-индуцированной модели мезиальной эпилепсии височной доли.

Материалы и методы. Иммунофлуоресцентным методом оценивали локализацию и экспрессию функциональных белков астроглии: аквапорина-4, коннексина-43, EAAT1/2 и глутаминсинтетазы в поле CA3 гиппокампа, зубчатой извилине, слое stratum lucidum у животных через 28 сут после интрагиппокампального введения каиновой кислоты.

Результаты. Выявленные изменения носили неоднородный характер в исследованных субрегионах гиппокампа. Астроциты stratum lucidum, ассоциированные с мшистыми волокнами, демонстрировали наибольшую уязвимость и снижение содержания и/или нарушение локализации каналов и транспортёров, формирующих мембранные комплексы в отростках. Нарушение гомеостатических функций астроцитов отягощает патологический процесс как на стороне введения токсина, так и в противоположном гиппокампе.

hippocampal sclerosiskainic acidastrocytesсклероз гиппокампакаиновая кислотаастроцитыJanmohamed M., Brodie M.J., Kwan P. Pharmacoresistance — epidemio- logy, mechanisms, and impact on epilepsy treatment. Neuropharmacology. 2020;168:107790. DOI: 10.1016/j.neuropharm.2019.107790Sumadewi K.T., Harkitasari S., Tjandra D.C. Biomolecular mechanisms of epileptic seizures and epilepsy: a review. Acta Epileptol. 2023;5(28). DOI: 10.1186/s42494-023-00137-0Копачев Д.Н., Шишкина Л.В., Быченко В.Г. и др. Склероз гиппокампа: патогенез, клиника, диагностика, лечение. Вопросы нейрохирургии им. Н.Н. Бурденко. 2016;80(4):109–116. DOI: 10.17116/neiro2016804109-116Blümcke I., Thom M., Aronica E. et al. International consensus classification of hippocampal sclerosis in temporal lobe epilepsy: a Task Force report from the ILAE Commission on Diagnostic Methods. Epilepsia. 2013;54(7):1315–1329. DOI: 10.1111/epi.12220.Tai X.Y., Bernhardt B., Thom M. et al. Review: neurodegenerative processes in temporal lobe epilepsy with hippocampal sclerosis: clinical, pathological and neuroimaging evidence. Neuropathol. Appl. Neurobiol. 2018;44(1):70–90. DOI: 10.1111/nan.12458Verkhratsky A., Parpura V., Vardjan N., Zorec R. Physiology of astroglia. Adv. Exp. Med. Biol. 2019;1175:45–91. DOI: 10.1007/978-981-13-9913-8_3Binder D.K., Steinhäuser C. Astrocytes and epilepsy. Neurochem. Res. 2021;46(10):2687–2695. DOI: 10.1007/s11064-021-03236-xJohnson A.M., Sugo E., Barreto D. et al. The severity of gliosis in hippocampal sclerosis correlates with pre-operative seizure burden and outcome after temporal lobectomy. Mol. Neurobiol. 2016;53(8):5446–5456. DOI: 10.1007/s12035-015-9465-yGrote A., Heiland D.H., Taube J. et al. 'Hippocampal innate inflammatory gliosis only' in pharmacoresistant temporal lobe epilepsy. Brain. 2023;146(2):549–560. DOI: 10.1093/brain/awac293Twible C., Abdo R., Zhang Q. Astrocyte role in temporal lobe epilepsy and development of mossy fiber sprouting. Front. Cell Neurosci. 2021;15:725693. DOI: 10.3389/fncel.2021.725693Falcón-Moya R., Sihra T.S., Rodríguez-Moreno A. Kainate receptors: role in epilepsy. Front. Mol. Neurosci. 2018;11:217. DOI: 10.3389/fnmol.2018.00217Горина Я.В., Салмина А.Б., Ерофеев А.И. и др. Маркеры активации астроцитов. Биохимия. 2022;87(7):975-998. DOI: 10.31857/S0320972522070119Huang X., Su Y., Wang N. et al. Astroglial connexins in neurodegenerative diseases. Front. Mol. Neurosci. 2021;14:657514. DOI: 10.3389/fnmol.2021.657514Хаспеков Л.Г., Фрумкина Л.Е. Молекулярные механизмы, опосредующие участие глиальных клеток в пластических перестройках головного мозга при эпилепсии обзор. Биохимия. 2017;82(3):528–541.Viana J.F., Machado J.L., Abreu D.S. et al. Astrocyte structural heterogeneity in the mouse hippocampus. Glia. 2023;71(7):1667–1682. DOI: 10.1002/glia.24362Prabhakar P., Pielot R., Landgraf P. et al. Monitoring regional astrocyte diversity by cell type-specific proteomic labeling in vivo. Glia. 2023;71(3):682–703. DOI: 10.1002/glia.24304Makarava N., Mychko O., Molesworth K. et al. Region-specific homeosta- tic identity of astrocytes is essential for defining their response to pathological insults. Cells. 2023;12(17):2172. DOI: 10.3390/cells12172172Batiuk M.Y., Martirosyan A., Wahis J. et al. Identification of region-specific astrocyte subtypes at single cell resolution. Nat. Commun. 2020;11(1):1220. DOI: 10.1038/s41467-019-14198-8Su Y., Zhou Y., Bennett M.L. et al. A single-cell transcriptome atlas of glial diversity in the human hippocampus across the postnatal lifespan. Cell Stem. Cell. 2022;29(11):1594.e8–1610.e8. Erratum in: Cell Stem. Cell. 2023;30(1):113. DOI: 10.1016/j.stem.2022.09.010Cibelli A., Stout R., Timmermann A. et al. Cx43 carboxyl terminal domain determines AQP4 and Cx30 endfoot organization and blood brain barrier permeability. Sci. Rep. 2021;11(1):24334. DOI: 10.1038/s41598-021-03694-xЗиматкин С.М., Климуть Т.В., Заерко А.В. Структурная организация формации гиппокампа крысы. Сибирский научный медицинский журнал. 2023;43(3):4–14. DOI: 10.18699/SSMJ20230301Воронков Д.Н., Ставровская А.В., Потапов И.А. и др. Глиальная реакция на нейровоспалительной модели болезни Паркинсона. Бюллетень экспериментальной биологии и медицины. 2022;174(11):658–664. DOI: 10.47056/0365-9615-2022-174-11-658-664Aguilar-Arredondo A., López-Hernández F., García-Velázquez L. et al. Behavior-associated neuronal activation after kainic acid-induced hippocampal neurotoxicity is modulated in time. Anat. Rec. (Hoboken). 2017;300(2):425–432. DOI: 10.1002/ar.23513Bond A.M., Berg D.A., Lee S. et al. Differential timing and coordination of neurogenesis and astrogenesis in developing mouse hippocampal subregions. Brain Sci. 2020;10(12):909. DOI: 10.3390/brainsci10120909Khakh B.S., Deneen B. The emerging nature of astrocyte diversity. Annu. Rev. Neurosci. 2019;42:187–207. DOI: 10.1146/annurev-neuro-070918-050443Dieni S., Matsumoto T., Dekkers M. et al. BDNF and its pro-peptide are stored in presynaptic dense core vesicles in brain neurons. J. Cell Biol. 2012;196(6):775–788. DOI: 10.1083/jcb.201201038Fernández-García S., Sancho-Balsells A., Longueville S. et al. Astrocytic BDNF and TrkB regulate severity and neuronal activity in mouse models of temporal lobe epilepsy. Cell Death Dis. 2020;11(6):411. DOI: 10.1038/s41419-020-2615-9Albini M., Krawczun-Rygmaczewska A., Cesca F. Astrocytes and brain-derived neurotrophic factor (BDNF). Neurosci. Res. 2023;197:42–51. DOI: 10.1016/j.neures.2023.02.001Hubbard J.A., Szu J.I., Yonan J.M., Binder D.K. Regulation of astrocyte glutamate transporter-1 (GLT1) and aquaporin-4 (AQP4) expression in a model of epilepsy. Exp. Neurol. 2016;283(Pt A):85–96. DOI: 10.1016/j.expneurol.2016.05.003Lee T.S., Eid T., Mane S. et al. Aquaporin-4 is increased in the sclerotic hippocampus in human temporal lobe epilepsy. Acta Neuropathol. 2004;108(6):493–502. DOI: 10.1007/s00401-004-0910-7Alvestad S., Hammer J., Hoddevik E.H. et al. Mislocalization of AQP4 precedes chronic seizures in the kainate model of temporal lobe epilepsy. Epilepsy Res. 2013;105(1–2):30–41. DOI: 10.1016/j.eplepsyres.2013.01.006Szu J.I., Chaturvedi S., Patel D.D., Binder D.K. Aquaporin-4 dysregulation in a controlled cortical impact injury model of posttraumatic epilepsy. Neuroscience. 2020;428:140–153. DOI: 10.1016/j.neuroscience.2019.12.006Wu N., Lu X.Q., Yan H.T. et al. Aquaporin 4 deficiency modulates morphine pharmacological actions. Neurosci. Lett. 2008;448(2):221–225. DOI: 10.1016/j.neulet.2008.10.065Lan Y.L., Zou S., Chen J.J. et al. The neuroprotective effect of the association of aquaporin-4/glutamate transporter-1 against Alzheimer's disease. Neural. Plast. 2016;2016:4626593. DOI: 10.1155/2016/4626593Gebreyesus H.H., Gebremichael T.G. The potential role of astrocytes in Parkinson's disease (PD). Med. Sci. (Basel). 2020;8(1):7. DOI: 10.3390/medsci8010007Parkin G.M., Udawela M., Gibbons A., Dean B. Glutamate transporters, EAAT1 and EAAT2, are potentially important in the pathophysiology and treatment of schizophrenia and affective disorders. World J. Psychiatry. 2018;8(2):51–63. DOI: 10.5498/wjp.v8.i2.51Todd A.C., Hardingham G.E. The regulation of astrocytic glutamate transporters in health and neurodegenerative diseases. Int. J. Mol. Sci. 2020;21(24):9607. DOI: 10.3390/ijms21249607Bjørnsen L.P., Eid T., Holmseth S. et al. Changes in glial glutamate transporters in human epileptogenic hippocampus: inadequate explanation for high extracellular glutamate during seizures. Neurobiol. Dis. 2007;25(2):319–330. DOI: 10.1016/j.nbd.2006.09.014Sarac S., Afzal S., Broholm H. et al. Excitatory amino acid transporters EAAT-1 and EAAT-2 in temporal lobe and hippocampus in intractable temporal lobe epilepsy. APMIS. 2009;117(4):291–301. DOI: 10.1111/j.1600-0463.2009.02443.xEid T., Lee T.W., Patrylo P., Zaveri H.P. Astrocytes and glutamine synthetase in epileptogenesis. J. Neurosci. Res. 2019;97(11):1345–1362. DOI: 10.1002/jnr.24267Papageorgiou I.E., Gabriel S., Fetani A.F. et al. Redistribution of astrocytic glutamine synthetase in the hippocampus of chronic epileptic rats. Glia. 2011;59(11):1706–1718. DOI: 10.1002/glia.21217Hayatdavoudi P., Hosseini M., Hajali V. et al. The role of astrocytes in epileptic disorders. Physiol. Rep. 2022;10(6):e15239. DOI: 10.14814/phy2.15239Bedner P., Steinhäuser C. Role of impaired astrocyte gap junction coupling in epileptogenesis. Cells. 2023;12(12):1669. DOI: 10.3390/cells12121669Philippot C., Griemsmann S., Jabs R. et al. Astrocytes and oligodendrocytes in the thalamus jointly maintain synaptic activity by supplying meta- bolites. Cell Rep. 2021;34(3):108642. DOI: 10.1016/j.celrep.2020.108642Henneberger C. Does rapid and physiological astrocyte-neuron signalling amplify epileptic activity? J. Physiol. 2017;595(6):1917–1927. DOI: 10.1113/JP271958Deshpande T., Li T., Herde M.K. et al. Subcellular reorganization and altered phosphorylation of the astrocytic gap junction protein connexin43 in human and experimental temporal lobe epilepsy. Glia. 2017;65(11):1809–1820. DOI: 10.1002/glia.23196