The impact of postnatal allergies in microglia-mediated cerebellar maturation

Abstract

A produção exacerbada de citocinas anti-inflamatórias Th2, como é o caso da interleucina-4 (IL-4), resultante dos processos imunológicos desencadeados durante a resposta imune alérgica, tem o potencial de impactar o organismo no seu todo. A microglia corresponde às principais células imunes do parênquima cerebral, as quais podem ser ativadas pela IL-4, exibindo uma grande mobilidade acompanhada de uma notável atividade fagocítica. Estas células respondem a fatores ambientais, ajustando os circuitos neuronais através da envolvência e processamento por fagocitose de neurónios e sinapses. Aquando do período de desenvolvimento, certos estímulos ambientais e imunes nocivos têm a capacidade de influenciar e alterar o seu fenótipo, afetando consequentemente as funções destas células, passando a causar circuitos neuronais aberrantes e comportamentos erróneos. O cerebelo é uma estrutura cerebral cujo processo de maturação se dá no período pós-natal, sendo relativamente moroso e caracterizado por extensas remodelações do seu circuito neuronal, deste modo expondo um intervalo crítico no qual perturbações ambientais que possam surgir representam um risco acrescido para a disrupção deste sistema. A microglia do cerebelo distingue-se pela sua superior capacidade de ativação e de depuração. Recentemente, o trabalho desenvolvido no nosso laboratório levou ao estabelecimento e validação de um modelo animal de perturbação de hiperatividade e défice de atenção (PHDA) com uma componente ambiental, através da administração periférica de IL-4 na segunda semana pós-natal em que se verificou que a microglia do cerebelo é especialmente sensível a níveis elevados de IL-4 neste período, que promoveram a disfuncionalidade do circuito do cerebelo e levaram a comportamentos de hiperatividade e de impulsividade, característicos desta condição. Tendo em conta a correlação entre alergias e perturbações do neurodesenvolvimento, neste projeto o nosso interesse era o de estabelecer e validar um modelo pós-natal de alergia através da administração intranasal de um extrato de ácaros domésticos com o propósito de avaliar os efeitos da resposta alérgica sobre a microglia do cerebelo. Daqui resultou que a administração de ácaros domésticos na segunda semana pós-natal induziu um fenótipo de asma alérgica que levou ao aumento da concentração de IL-4 na periferia e no parênquima do cerebelo, tendo contribuído para a diminuição da percentagem de microglia com capacidade para fagocitar neurónios. Para além destes efeitos, a morfologia da microglia sofreu alterações, sendo que estas células passaram a apresentar uma estrutura mais pequena e menos ramificada, o que poderá ter implicações funcionais, tendo a quantidade de microglia no córtex cerebelar sido também afetada. Tendo em conta estes resultados, concentrámos a nossa atenção na camada granular do cerebelo onde o número putativo de células granulares aumentou, no caso dos animais em que os ácaros domésticos foram administrados, o que provavelmente se relaciona com o aumento verificado na frequência das correntes miniatura pós-sináticas espontâneas das células de Purkinje. À semelhança dos animais injetados com IL-4, os animais que receberam administrações de ácaros domésticos exibiram um fenótipo de hiperatividade, reminiscente de PHDA.Deste modo, este trabalho providencia esclarecimento mecanístico acerca da função da IL-4 na maturação dos circuitos neuronais, para além de constituir uma base para possíveis mecanismos envolvidos na correlação epidemiológica entre alergias e perturbações do neurodesenvolvimento.

Allergies are complex immune responses which drive the overproduction of Th2 anti-inflammatory cytokines, such as interleukin-4 (IL-4), with deleterious effects that may impact the whole organism. Microglia are the main immune effectors of the brain parenchyma, notably activated by IL-4. These highly motile phagocytic cells sense environmental cues and are responsible for neuronal circuit refinement, through the engulfment of neurons and synapses, thus ensuring proper wiring. In the developing brain, immune and environmental challenges capable of altering microglia phenotypes and function are known to cause defective neuronal circuits and abnormal behaviors. During postnatal development the cerebellum undergoes a prolonged maturation process that requires extensive circuit remodeling, exposing a critical interval for environmental insults to occur. Furthermore, cerebellar microglia are unique and exceptionally suited for immune activation with an enhanced clearance capability. We previously developed an environmental mouse model of attention-deficit/hyperactivity disorder (ADHD) based on the peripheral injection of IL-4 in the second postnatal week. In this model, we showed that cerebellar microglia are particularly sensitive to increased IL-4 levels in the postnatal period, and that a premature increase in IL-4 levels induced cerebellar circuit dysfunction and hyperactive and impulsive behaviors reminiscent of ADHD. Considering the epidemiological link between allergies and ADHD, in this work we aimed to establish and validate a postnatal mouse model of allergies, by intranasally administering an extract of house dust mites (HDM) in the postnatal period, in order to assess the effects of an upstream allergic stimulus able to raise the endogenous levels of IL-4, by acting upon microglia in the cerebellum during a critical time-window of development. This work revealed that HDM intranasal administration in the first two weeks after birth induced an allergic asthma-related phenotype that increased IL-4 concentration both in the periphery and in the cerebellar parenchyma, and decreased the percentage of microglia engulfing neurons. This was accompanied by alterations in microglia morphology, with these cells being smaller and less ramified, possibly also contributing for functional alterations, and led to altered microglia numbers in the cerebellar cortex. Considering these results, we focused on the granular layer and observed that HDM mice present a putative increase in the number of granule cells probably associated with an increase in the AMPA-mediated mini-excitatory currents of Purkinje cells. Importantly, HDM mice, similarly to IL-4-injected animals presented an ADHD-related hyperactive behavior.This work further provided mechanistic insight into the function of IL-4 in the maturation of neuronal circuits, as well as might hint at the mechanisms underlying the epidemiological evidence linking allergies and ADHD.