线粒体DNA通过cGAS-IFN信号通路驱动神经病理性疼痛小鼠脊髓的神经炎症

Mitochondrial DNA drives neuroinflammation through the cGAS-IFN signaling pathway in the spinal cord of neuropathic pain mice.

作者信息Penghui Huang, Li Li, Yaohua Chen, Yuping Li, Dan Zhu, Jian Cui
PMID38840892
发布时间2024-05-31
DOI10.1515/biol-2022-0872

实验完整度

包含体内CCI小鼠模型、体外BV2细胞实验、mtDNA提取与转染、cGAS抑制剂干预、行为学、分子生物学和免疫荧光等多层级验证。

主要模型

C57BL6/J雄性小鼠CCI模型 BV2小胶质细胞 Neuro2神经元细胞(mtDNA供体)

重点核对

CCI手术分组:sham、CCI、CCI+saline、RU.521处理组 RU.521剂量:5 mg/kg/天,腹腔注射,连续5天 BV2细胞转染mtDNA浓度和时间 RU.521预处理浓度(10 μM)和时长(2小时) 样本量:行为学n=4,Western blot n=3-4

摘要

神经炎症在神经病理性疼痛(NeP)的发展中起关键作用。虽然线粒体脱氧核糖核酸(mtDNA)和环状GMP-AMP合酶(cGAS)已被认识到在多种神经系统疾病中诱导炎症,但它们与NeP的关系仍不明确。在本研究中,我们检测了:(1)由坐骨神经慢性压迫损伤(CCI)诱导的NeP小鼠中mtDNA和cGAS的变化,以及mtDNA是否通过cGAS信号触发炎症;(2)cGAS拮抗剂RU.521对CCI诱导的痛觉(异常性疼痛和痛觉过敏)及相关炎症蛋白表达的影响;(3)BV2细胞中mtDNA介导的小胶质细胞活化和cGAS-IFN通路;(4)RU.521对BV2细胞中mtDNA诱导的炎症反应的影响。结果显示,CCI小鼠坐骨神经中mtDNA水平降低,但脊髓中水平升高,同时cGAS表达和炎症因子升高。RU.521减轻了CCI小鼠的痛觉行为,可能通过使cGAS水平正常化和抑制炎症。神经元来源的mtDNA在BV2细胞中引起细胞活化和上调cGAS信号。此外,RU.521和DNase I有效抑制了cGAS诱导的炎症。这些发现强调了mtDNA积累和mtDNA介导的cGAS信号在外周神经损伤后NeP发展中的关键作用。

实验结论

提炼研究问题、关键发现与证据,快速把握文章的核心贡献。

研究问题
mtDNA是否通过cGAS-IFN信号通路在神经病理性疼痛中触发神经炎症?
核心机制
外周神经损伤导致脊髓中mtDNA积累,激活cGAS-IFN信号通路,进而上调I型干扰素相关mRNA转录,诱导炎症反应。
主要证据
CCI小鼠脊髓中mtDNA和cGAS水平升高,cGAS抑制剂RU.521缓解疼痛并抑制炎症;BV2细胞中mtDNA激活cGAS信号,RU.521和DNase I抑制炎症。
研究意义
确认mtDNA介导的cGAS-IFN信号激活是NeP炎症过程中的调控机制,为NeP治疗提供新靶点。

研究路径

按研究推进顺序梳理实验设计、验证步骤与关键观察。

1

建立CCI模型并评估疼痛行为

验证CCI手术是否成功诱导神经病理性疼痛

对小鼠进行坐骨神经慢性压迫损伤手术,使用von Frey纤维丝和Hargreaves实验分别检测机械痛阈和热缩足潜伏期。

2

检测mtDNA含量和分布

确定CCI后坐骨神经和脊髓中mtDNA的变化及其在细胞内的分布

提取坐骨神经和脊髓DNA,使用qPCR检测mtDNA含量(CO1和ND1);免疫荧光染色检测细胞质dsDNA。

3

检测cGAS-IFN信号通路激活

验证CCI后脊髓中cGAS及其下游信号分子的表达变化

通过qPCR检测TLR9、NLRP3、cGAS、IFN-β、TNF-α的mRNA水平;Western blot检测cGAS蛋白;免疫荧光共标cGAS与细胞标记物。

4

评估cGAS抑制剂的镇痛效果

验证抑制cGAS是否能缓解CCI小鼠的疼痛行为并抑制炎症

CCI小鼠腹腔注射RU.521(5 mg/kg/天)或生理盐水,连续5天,检测机械和热痛阈,并检测脊髓中cGAS、p-STING、IRF3、IFN-β、TNF-α的表达和IBA1荧光强度。

5

体外验证mtDNA激活小胶质细胞

验证神经元来源的mtDNA是否能激活BV2细胞并促进炎症因子的释放

从Neuro2细胞中分离mtDNA,转染至BV2细胞,检测IBA1表达、TNF-α释放、ROS和NO产生。

6

验证mtDNA激活cGAS-IFN信号

验证mtDNA是否通过cGAS-IFN通路诱导BV2细胞炎症

转染mtDNA后检测cGAS、STING、p-STING、IRF3蛋白表达及IFN-β mRNA水平。

7

验证cGAS抑制剂对mtDNA诱导炎症的阻断

验证RU.521能否抑制mtDNA诱导的BV2细胞炎症反应

BV2细胞先用RU.521预处理2小时,再转染mtDNA;或先用DNase I处理mtDNA后再转染;检测cGAS、p-STING、IRF3、IBA1、IFN-β和TNF-α。

研究方法

按研究目的归类文中使用的方法,便于定位所需技术。

产品清单

实验环节名称品牌货号
RU.521Med Chem Express--
DMEM培养基GibcoC11995500BT
胎牛血清Biological Industries9006-53-5
青霉素/链霉素Gibco15140122
线粒体DNA提取试剂盒Abcamab65321
Attractene转染试剂Qiagen301005
TIANamp基因组DNA试剂盒TIANGENDP304
RNA快速纯化试剂盒ES ScienceRN001
Fast All-in-One逆转录试剂盒ES ScienceRT001
PowerUp™ SYBR™ Green预混液Thermo Fisher ScientificA25742
RIPA裂解缓冲液BeyotimeP0013B
SDS-PAGE上样缓冲液5×BeyotimeP0015
牛血清白蛋白BeyotimeST023-50g
BeyoECL Moon化学发光试剂BeyotimeP0018FS
MitoTracker Red CMXRos染料InvitrogenM7512
DAPIBeyotimeC1002
活性氧检测试剂盒(DCFH-DA)SolarbioCA1410
总一氧化氮检测试剂盒BeyotimeS0023
实时荧光定量PCR仪Bio-Rad--
NanoDrop 2000分光光度计Thermo Fisher Scientific--
激光共聚焦显微镜(LSM780)ZEISS--
Bio-Rad凝胶成像仪Bio-Rad--

关键环节

汇总复现实验时建议重点确认的条件及原文阅读提示。

环节核对要点
动物模型
小鼠品系(C57BL6/J)、性别(雄性)、周龄(8-12周)、CCI手术细节(坐骨神经分支结扎)、分组(sham、CCI、CCI+saline、CCI+RU.521)
阅读提示:Materials and methods-sections 2.1 and 2.2
药物干预
RU.521剂量(5 mg/kg/天)、给药方式(腹腔注射)、给药时间(术后第10天起连续5天)、载体(0.9% saline)
阅读提示:Materials and methods-section 2.3
细胞实验
BV2和Neuro2细胞来源、培养条件(DMEM+10%FBS+1%P/S)、mtDNA转染浓度和时间、转染试剂(Attractene)用量
阅读提示:Materials and methods-sections 2.5 and 2.6
检测方法
qPCR引物序列、Western blot抗体信息和稀释比例、免疫荧光染色步骤(固定、透化、封闭)
阅读提示:Materials and methods-sections 2.7-2.10 and Table 1
统计设计
样本量(动物n=3或4、细胞n=3-5)、统计分析(单因素方差分析、t检验)、显著性水平(P<0.05)
阅读提示:Materials and methods-section 2.13