Study of the pathogenic role of glial complement activation and its therapeutic application in epilepsy

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Chronic epileptogenesis is characterized by disrupted synaptic balance and impaired neuronal circuitry. Recent studies have shown that aberrant activation of complement signaling — particularly C1q and C3 driven by microglia and astrocytes— contributes to synaptic alterations and neuronal loss in the hippocampus. However, the distinct temporal and regional dynamics of C1q and C3 across hippocampal subregions (CA1, CA3, and DG) and their roles in chronic epilepsy progression remain unclear.
In this study, we examined microglial C1q and astrocytic C3 expression in CA1, CA3, and DG at acute (1 day), sub-acute (7 and 14 days), and chronic (5 weeks) time points following pilocarpine-induced status epilepticus (SE) in mice. C1q expression increased in CA1 and CA3 within 7—14 days post-SE. During this period, CA1 exhibited prominent microglial activation with increased phagocytic activity, accompanied by spine, dendrite and neuronal loss. CA3 exhibited even greater C1q upregulation, coinciding with post-synaptic density reduction and synaptic loss. Meanwhile, astrocytic C3 upregulation was most pronounced in CA1, persisted into the chronic phase, and correlated with sustained neuronal loss in CA1.
Administration of a C1q-neutralizing antibody at 7 days post-SE, targeting the early phase of C1q upregulation, significantly mitigated microglial synaptic phagocytosis and astrocyte C3 activation, thereby reducing neuronal alterations and chronic interictal spikes in EEG recordings.
These findings highlight distinct temporal and regional roles of microglial and astrocytic complement activation during chronic epileptogenesis. Targeting complement signaling with spatiotemporal specificity in the hippocampus may offer a promising therapeutic strategy for chronic epilepsy.

국문 초록 (Abstract)

뇌전증은 반복적이고 자발적인 발작을 특징으로 하며, 그 발달 과정에는 시냅스 기능 이상과 신경회로 불균형, 그리고 지속적인 신경망 과흥분성이 핵심적으로 관여한다. 최근 연구에서 신경교세포가 매개하는 면역·염증 반응이 뇌전증의 병태생리에 중요한 조절 요인으로 부상하고 있으며, 특히 보체 단백질 C1q와 C3의 비정상적 활성은 시냅스 구조 변화와 신경회로 재편성에 영향을 미치는 것으로 보고되고 있다. 정상적인 발달 과정에서는 C1q–C3 신호를 통한 미세아교세포의 시냅스 제거가 신경회로 성숙에 필수적이지만, 발작 이후 이 기전이 비정상적으로 활성화되면 시냅스가 과도하게 제거되어 신경망 불안정성을 초래할 가능성이 제기되고 있다. 실제로 뇌전증 환자 및 동물모델에서 C1q와 C3의 발현 증가가 보고되었으나, 발작 이후 시간 경과에 따른 보체 활성의 변화가 해마 회로 손상 및 만성 뇌전증으로의 이행에 어떻게 기여하는지에 대해서는 아직 명확하게 규명되지 않았다.
본 연구에서는 pilocarpine으로 유도한 만성 뇌전증 마우스 모델을 이용하여 발작 이후 급성기(1일), 아급성기(7일과 14일), 만성기(5주)에 걸쳐 해마의 주요 세부구역(CA1, CA3, DG)에서 C1q와 C3 발현의 시간적 변화를 분석하였다. 그 결과, 미세아교세포의 C1q 발현은 발작 후 7–14일에 뚜렷하게 증가하였으며, 이는 CA1과 CA3에서 관찰된 시냅스 및 수상돌기 감소와 시기적으로 일치하였다. 반면 성상세포의 C3 발현은 발작 7일 이후 지속적으로 증가하여 만성기까지 유지되었고, 특히 CA1에서 점진적인 신경세포 손실과의 연관성이 확인되었다.
이러한 시간적 변화를 바탕으로 보체계 활성이 뚜렷이 증가하는 아급성기(발작 7일차)에 C1q 중화항체를 투여하여 보체 활성 조절이 해마 시냅스 구조, 신경교세포 반응성, 그리고 만성기 발작 활동에 미치는 영향을 평가하였다. 그 결과, C1q 중화는 만성기에 나타나는 시냅스 밀도 감소, 수상돌기 구조 변화, 그리고 미세아교세포의 포식 활성 증가를 유의하게 완화시켰으며, 병적 신경교세포 활성과 발작 활동 또한 감소시키는 효과를 보였다.
종합하면, 본 연구는 발작 이후 시기별로 변화하는 C1q와 C3의 활성 양상이 해마 회로 손상과 만성 뇌전증으로의 이행에 기여함을 제시한다. 특히 아급성기의 C1q 신호 차단이 시냅스 손실과 병적 신경교세포 활성, 그리고 만성기 발작 활동을 완화시키는 효과를 보임으로써, 보체계 조절이 발달 중인 뇌전증 병태를 직접적으로 조절할 수 있는 잠재적 치료 전략임을 보여준다. 이는 기존 항경련제 중심 치료의 한계를 넘어, 질환의 근본적 진행을 억제할 수 있는 새로운 치료 접근법 개발에 중요한 근거를 제공한다.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. General Introduction 1
• 1.1 Epilepsy and epileptogenesis 1
• 1.2 Global epidemiology of epilepsy 4
• 1.3 Current therapeutic approaches for epilepsy 5
• 1.4 Glial activation and neuroinflammatory responses in epilepsy 7
• 1.5 The complement system 9
• 1.6 Complement-mediated synaptic elimination 11
• 1.7 Complement-targeted therapeutic strategies in other diseases 13
• 1.8 Purpose of the study 15
• Chapter 2. Spatiotemporal dynamics of complement activation and its therapeutic modulation by C1q neutralization during chronic epileptogenesis 16
• 2.1 Introduction 16
• 2.2 Materials & Methods 19
• 2.2.1 Animal care 19
• 2.2.2 Pilocarpine injections 19
• 2.2.3 Open field test 20
• 2.2.4 Surgical and experimental procedures for EEG recording 23
• 2.2.5 EEG analysis 25
• 2.2.6 Intra-cisterna magna injection of C1q-neutralizing antibody 29
• 2.2.7 Golgi staining and spine analysis 32
• 2.2.8 Immunohistochemistry (IHC) and confocal imaging 34
• 2.2.9 IHC quantification and image analysis 37
• 2.2.10 Statistical analysis 40
• 2.3 Results 41
• 2.3.1 Differential neuronal cell loss across hippocampal subregions during epileptogenesis 41
• 2.3.2 Region-specific dendritic and spine loss across hippocampal subregions during epileptogenesis 43
• 2.3.3 Microglial activation and enhanced phagocytic activity during epileptogenesis 47
• 2.3.4 Region-specific upregulation of C1q during epileptogenesis 52
• 2.3.5 Spatiotemporal dynamics of C1q-associated post-synaptic density loss across hippocampal subregions during epileptogenesis 54
• 2.3.6 Spatiotemporal dynamics of astrocytic C3 upregulation during epileptogenesis 57
• 2.3.7 Reduction of epileptiform activity in chronic epilepsy by C1q inhibition 60
• 2.3.8 Preservation of dendritic spines and neuronal survival in chronic epilepsy by C1q inhibition 66
• 2.3.9 Reduction of C1q-tagged postsynaptic density loss in chronic epilepsy by C1q inhibition 69
• 2.3.10 Attenuation of microglial phagocytic activity in chronic epilepsy by C1q inhibition 72
• 2.3.11 Reduction of astrocytic C3 expression in chronic epilepsy by C1q inhibition 76
• 2.4 Discussion
• 2.4.1 Distinct temporal and regional dynamics of C1q and C3 79
• 2.4.2 Disrupted inhibitory-excitatory balance as a driver of chronic hyperexcitability 81
• 2.4.3 Complement C1q as a potential therapeutic target in epilepsy 83
• Chapter 3. Conclusion 85
• 3.1 General conclusion 85
• 3.2 Limitations and future perspectives 87
• Chapter 4. Summary 89
• References 93
• 국문 요약 113