Deciphering the mechanisms underlying the role of interleukin-10 in cognitive function

Abstract

A função cognitiva refere-se aos processos mentais internos críticos para as atividades quotidianas, como a memória. A imunovigilância do cérebro é crucial para a cognição. A ausência de células T e níveis aumentados de citocinas pró-inflamatórias têm sido associados a comprometimentos cognitivos. No entanto, o papel das citocinas anti-inflamatórias, como a interleucina-10 (IL-10), tem sido pouco estudado. Aqui, o efeito da ausência de IL-10 na função cognitiva foi investigado em murganhos fêmeas BALB/c jovens-adultas IL-10 knockout (KO) e irmãs de tipo selvagem (WT). A ausência de IL-10 prejudicou a memória de referência espacial dependente do hipocampo no Barnes-maze test. Curiosamemente, neste teste, os murganhos IL-10 KO mostraram uma redução nas estratégias dependentes do hipocampo principalmente durante as fases de metestro e diestro do ciclo estríco. Não foram observados problemas locomotores nos murganhos IL-10 KO, no entanto, a deficiência de IL-10 comprometeu a exploração no open-field test. Embora a ausência de IL-10 tivesse aumentado os níveis basais de corticosterona e de expressão genética de marcadores pró-inflamatórios no cólon, estes parâmetros não se correlacionaram com o desempenho comportamental. Usando as variáveis comportamentais analisadas, o genótipo (WT vs IL-10 KO) foi classificado por support vector machine models com uma precisão de até 89,3%. Adicionalmente, a ausência de IL-10 diminui o número de neurónios e volume do hipocampo dorsal, mas não do ventral. Além disso, no hipocampo, a deficiênciade IL-10 modulou negativamente a dinâmica das espinhas dendríticas e diminuiu a arborização dendrítica dos neurónios granulares do giro dentado dorsal e ventral e piramidais do cornu ammonis-1 e -3, que são conhecidos por suportar a aprendizagem e memória. Ademais, análises por citometria de fluxo mostraram que a ausência de IL-10 influenciou o perfil leucocitário no sangue pelo aumento do número total de neutrófilos e da sua percentagem dentro dos leucócitos e diminuição da percentagem dentro dos leucócitos de eosinófilos, células natural-killer, células B e células T. Além disso, no sangue, a deficiência de IL-10 aumentou a percentagem de células T CD4+ efetoras de memória, que foram previamente associadas a uma pior função cognitiva em idosos saudáveis. A ausência de IL-10 também aumentou o número total de leucócitos nos nódulos linfáticos cervicais profundos, sugerindo um aumento do recrutamento de células para o sistema linfático do cérebro. Por fim, através de um tratamento antibiótico, um protocolo para a depleção do microbioma intestinal de murganhos IL-10 KO foi otimizado. Após 3 dias de tratamento, os antibióticos reduziram os níveis de expressão genética de16s nas fezessem proliferação fúngica, proporcionando uma etapa inicial para explorar o papel do microbioma intestinal na função cognitiva de murganhos IL-10 KO. No geral, estes resultados não só suportaram que a ausência de IL-10 impactou as habilidades cognitivas, mas também destacaram potenciais mecanismos subjacentes à ação dessa citocina anti-inflamatória, que podem ser contribuintes importantes para o desenvolvimento de novas terapias para comprometimentos cognitivas baseadas em IL-10.

Cognitive function refers to internal mental processes critical for daily life activities, such as memory. Brain immune surveillance has proven to be crucial for cognitive function. T cell absence and increased levels of pro-inflammatory cytokines have been associated with impaired cognition. However, the role of anti-inflammatory cytokines, such as interleukin-10 (IL-10), has been poorly studied. Here, the effect of IL-10 absence in cognitive function was investigated in young-adult female BALB/c IL-10 knockout (KO) and wild-type (WT) littermate mice. IL-10 absence impaired the hippocampal-dependent spatial reference memory in the Barnes-maze test. Interestingly, in this test, IL-10 KO mice showed a reduction in hippocampal-dependent strategies mainly during the metestrus and diestrus phases of the estrous cycle. No locomotor disabilities were observed in IL-10 KO mice however IL-10 deficiency impaired exploration in the open-field test. Although IL-10 absence has led to higher basal levels of corticosterone and increased gene expression levels of pro-inflammatory markers in the colon, these parameters did not correlate with the behavioral performance. Using the behavioral variables analyzed, the genotype (WT vsIL-10 KO) was classified by support vector machine models with an accuracy of up to 89.3%. Moreover, IL-10 absence led to a decreased number of neurons and volumetric atrophy of the dorsal, but not of the ventral hippocampus. Additionally, in the hippocampus, IL-10 deficiency negatively modulated the dendritic spine dynamics and decreased the dendritic arborization of dorsal and ventral dentate gyrus granule neurons and cornu ammonis-1 and -3 pyramidal neurons, which are known to support learning and memory. Furthermore, flow cytometry analysis showed that IL-10 absence impacted the leukocyte profile in the blood by increasing the total number of neutrophils and its percentage within leukocytes and decreasing the percentage of eosinophils, natural-killer cells, B cells, and T cells within leukocytes. Also, in the blood, IL-10 deficiency increased the percentage of effector memory CD4+ T cells, which were previously associated with a worst cognitive function of healthy aged individuals. IL-10 absence also increased the total number of leukocytes in the deep cervical lymph nodes, suggesting an increased cell recruitment to the lymphatic system of the brain. Lastly, through an antibiotic treatment, a protocol for gut microbiome depletion of IL-10 KO mice was optimized. After 3 days of treatment, antibiotics reduced the gene expression levels of 16s in the feces without fungal overgrowth, providing an initial step to explore the role of the gut microbiome in the cognitive function of IL-10 KO mice. Overall, these results not only supported that IL-10 absence impacted cognitive abilities but also highlighted the potential mechanisms underlying the action of this anti-inflammatory cytokine, which may be important contributors to the development of new IL-10-based therapies for cognitive impairments.