The effect of CNS chemical injury on adult neurogenesis

Abstract

Within the adult mammalian brain, the prevailing consensus has long held that neural stem cells (NSCs) and precursor cells are confined to specific neurogenic domains. Recent research, however, has unveiled a phenomenon known as reactive neurogenesis, where brain injuries trigger the activation of NSCs, enhancing their potential to differentiate into various cell types and guiding their progeny to injured areas. Chemotherapy constitutes a form of brain chemical injury disrupting brain structure and function. Accumulating evidence highlights the detrimental effects of chemotherapeutic agents, which include reduced NSC proliferation, white matter damage, and neuroinflammation. Adult brain neurogenic niches, where NSCs reside, appear particularly vulnerable to chemotherapy, potentially contributing to the cognitive and emotional function deficits observed in cancer survivors. However, the brain's regenerative response to chemotherapy remains underexplored. To address this, we conducted targeted intraventricular infusions of the commonly used chemotherapeutic antimitotic agent Ara-C and assessed the different pathophysiological aspects of the imposed chemical damage in the two neurogenic niches, namely the Subventricular Zone of the lateral ventricles (SVZ) and the hippocampal Subgranular Zone (SGZ), and the surrounding brain parenchyma. First, our objective was to understand the changes within the cellular components of the subventricular zone (SVZ), a prominent neurogenic niche in the adult brain. This included examining the ependymal barrier and the lineage of NSCs, with a focus on their structural composition and dynamic characteristics. Second, we explored the impact of the chemical lesion on adjacent non-neurogenic regions, such as the striatum and corpus callosum, and their influence on the responses of the neurogenic niche. Our results revealed a loss of ependymal cell layer and long-term disruption of the dynamics of the NSC lineage within the SVZ niche. These niche alterations were accompanied by a vigorous and acute neuroinflammatory response, characterized by astrogliosis, microgliosis, and strong phagocytic activity both around the lateral walls and in the neighboring parenchyma. Apoptosis and tissue degeneration of brain structures adjacent to ventricular cavities also occurred. Moreover, we observed the infiltration of peripheral cells in the brain, with a specific population expressing Netrin-1, a molecule known for its role in axon guidance and implicated in axon regeneration. Notably, we reported a rerouting of neuroblasts from their normal SVZ - Olfactory Bulb migratory stream to the striatum, with distinct localization along striatal myelin tracts. These findings were accompanied by dysregulation in the oligodendrocyte lineage and myelin deficits, suggesting a possible connection of ectopic neuroblasts presence to the observed myelin defects. At the same time, newly born neurons lying in the vicinity of myelin tract gray matter acquired molecular phenotypes of region-specific mature neurons. Concurrently with dorsal SVZ ectopic migration, we noted an activation of NSCs of the ventral SVZ with migration towards the nucleus accumbens and anterior commissure. In parallel, we also examined the complex dynamics of the hippocampal neurogenic niche, which plays a crucial role in cognitive processes. Our data support the idea that Ara-C, in addition to affecting proliferation, severely impacted the dendritic development of neural progenitors, consequently leading to aberrant migration in the Dentate Gyrus of the hippocampus, pointing to a defective maturation process. Interestingly, we found that in both neurogenic niches, similar molecular cues related to neuroblast migration in the neurogenic niches under homeostatic conditions, are being altered in response to injury, underscoring their role in the underlying mechanisms. Overall, our analysis allowed us to shed light on the brain's adaptive responses to chemical injury and uncover adult neurogenesis-related alternative migration routes which get mobilized following brain injury, while it revealed the similarities and differences between the two neurogenic niches in their responses to injury.

Στον εγκέφαλο των ενήλικων θηλαστικών, η επικρατούσα αντίληψη είναι ότι τα Νευρικά Βλαστικά κύτταρα (ΝΒΚ) και τα πρόδρομα κύτταρα εστιάζονται σε συγκεκριμένες νευρογενετικές περιοχές. Εντούτοις, πρόσφατες μελέτες έχουν αποκαλύψει πως οι εγκεφαλικές βλάβες πυροδοτούν την ενεργοποίηση των ΝΒΚ, ενισχύοντας τη δυνατότητά τους να διαφοροποιούνται σε διάφορους κυτταρικούς τύπους, ικανούς να μεταναστεύουν προς τις περιοχές του εγκεφάλου που έχουν υποστεί βλάβη. Η χημειοθεραπεία αποτελεί μια μορφή χημικής βλάβης του εγκεφάλου που διαταράσσει τη δομή και τη λειτουργία του. Αυξανόμενος αριθμός μελετών αναδεικνύει τις επιβλαβείς επιπτώσεις των χημειοθεραπευτικών παραγόντων, οι οποίες περιλαμβάνουν μειωμένο πολλαπλασιασμό των ΝΒΚ, αλλοιώσεις της λευκής ουσίας και νευροφλεγμονή. Οι νευρογενετικές φωλεές του ενήλικου εγκεφάλου, όπου εδράζονταιι τα ΝΒΚ, εμφανίζονται ιδιαίτερα ευάλωτες στη χημειοθεραπεία, συμβάλλοντας ενδεχομένως στα ελλείμματα γνωστικής και αισθητηριακής λειτουργίας που παρατηρούνται στουςασθενείς που έχουν λάβει χημειοθεραπεία. Ωστόσο, οι ιδιότητες και η αναγεννητική απόκριση των κυττάρων των νευρογενετικών φωλεών στη χημειοθεραπεία παραμένει ακόμα ελάχιστα μελετημένη. Για να το διερευνήσουμε αυτό το ερώτημα, πραγματοποιήσαμε ενδοκοιλιακές εγχύσεις του ευρέως χρησιμοποιούμενου χημειοθεραπευτικού αντιμιτωτικού παράγοντα κυτοσίνη αραβινοσίδη (AraC) και αξιολογήσαμε τις διαφορετικές παθοφυσιολογικές πτυχές της προκαλούμενης χημικής βλάβης στις δύο νευρογενετικές περιοχές, του ενήλικου εγκεφάλου συγκεκριμένα στην υποκοιλιακή ζώνη των πλάγιων κοιλιών (SVZ) και στην υποκοκκιώδη ζώνη του ιππόκαμπου (SGZ), καθώς και στο παρακείμενο εγκεφαλικό παρέγχυμα.Αρχικά, στόχος μας ήταν να κατανοήσουμε τις αλλαγές στα κυτταρικά συστατικά της υποκοιλιακής ζώνης (SVZ). Αυτό περιλάμβανε την εξέταση του επενδυματικού φραγμού και της γενεαλογίας των ΝΒΚ, με έμφαση στη δομική συγκρότηση και τα δυναμικά χαρακτηριστικά τους. Στη συνέχεια, διερευνήσαμε τον αντίκτυπο της χημικής βλάβης σε παρακείμενες μη νευρογενετικές περιοχές, όπως το ραβδωτό σώμα και το μεσολόβιο, και την συνεισφορά τους στις αποκρίσεις της νευρογετικής περιοχής. Τα αποτελέσματά μας αποκάλυψαν απώλεια της επενδυματικής κυτταρικής στιβάδας και μακροχρόνια διαταραχή της δυναμικής της γενεαλογίας των ΝΒΚ εντός της SVZ. Αυτές οι μεταβολές της φωλεάς συνοδεύτηκαν από οξεία νευροφλεγμονώδη απόκριση, η οποία χαρακτηρίζεται από αστρογλοίωση, μικρογλοίωση και έντονη φαγοκυτταρική δραστηριότητα τόσο γύρω από τα πλευρικά τοιχώματα των κοιλιών όσο και στο γειτονικό παρέγχυμα. Παρουσιάστηκε επίσης απόπτωση και εκφυλισμός του εγκεφαλικού παρεγχύματος περιοχών που γειτνιάζουν με τις κοιλιακές κοιλότητες. Περαιτέρω, παρατηρήσαμε τη διήθηση περιφερικών κυττάρων στον εγκέφαλο, με έναν συγκεκριμένο πληθυσμό που χαρακτηρίζεται από έκφραση της Netrin-1, μιας πρωτείνης γνωστής για το ρόλο της στην καθοδήγηση και αναγέννηση των αξόνων. Ακόμα, παρατηρήσαμε την αλλαγή της μεταναστευτικής πορείας των νευροβλαστών από το φυσιολογικό μεταναστευτικό ρεύμα SVZ - Οσφρητικό βολβό, προς το ραβδωτό σώμα, με διακριτό εντοπισμό τους κατά μήκος των δεσμίδων μυελίνης. Τα ευρήματα αυτά συνοδεύονταν από την διατάραξη της γενεαλογίας των ολιγοδενδροκυττάρων και ελλείμματα των μυελίνικών ελύτρων, υποδηλώνοντας μια πιθανή σύνδεση της παρουσίας έκτοπικων νευροβλαστών με την παρατηρούμενη απομυελίνωση. Επιπλέον, οι νεοπαραγώμενοι νευρώνες που βρίσκονταν κοντά στη φαιά ουσία εμφανίζουν μοριακό φαινότυπο ώριμων νευρώνων, ειδικών για την περιοχή του ραβδωτού. Ταυτόχρονα με την εκτοπική μετανάστευση των νευροβλαστών της ραχιαίας SVZ, παρατηρήσαμε την ενεργοποίηση των ΝΒΚ της κοιλιακής SVZ με μετανάστευσή τους προς τον επικλινή πυρήνα και τον πρόσθιο σύνδεσμο. Παράλληλα, εξετάσαμε την πολύπλοκη δυναμική της νευρογενετικής φωλεάς του ιππόκαμπου, η οποία διαδραματίζει κρίσιμο ρόλο στις γνωστικές διεργασίες. Τα δεδομένα μας υποστηρίζουν ότι το AraC, εκτός από τον πολλαπλασιασμό, επηρεάζει σοβαρά τη δενδριτική ανάπτυξη των νεοπαραγόμενων νευρώνων, επακολούθως οδηγώντας σε ανώμαλη μετανάστευσή τους στην οδοντωτή έλικα του ιππόκαμπου, υποδηλώνοντας ελαττωματική διαδικασία ωρίμανσής τους.Είναι ενδιαφέρον ότι διαπιστώσαμε ότι και στις δύο νευρογενετικές περιοχές, παρόμοια μοριακά μονοπάτια που σχετίζονται με τη φυσιολογική μετανάστευση των νευροβλαστών σε ομοιοστατικές συνθήκες, μεταβάλλονται ως απόκριση στο χημικό τραυματισμό, υπογραμμίζοντας τον ρόλο τους στους υποκείμενους μηχανισμούς. Συνολικά, η ανάλυσή μας, μάς επέτρεψε να ρίξουμε φως στις προσαρμοστικές αποκρίσεις του εγκεφάλου στο χημικό τραυματισμό και να αποκαλύψουμε την ενεργοποίηση σχετιζόμενων με την ενήλικη νευρογένεση, εναλλακτικών οδών μετανάστευσης των νευροβλαστών, οι οποίες επιστρατεύονται μετά από εγκεφαλικό τραυματισμό. Τέλος, αποκάλυψε τις ομοιότητες και τις διαφορές μεταξύ των δύο νευρογενετικών ζωνών στις αποκρίσεις τους στον προκαλούμενο από χημειοθεραπεία χημικό τραυματισμό.