Deciphering the role of cortistatin in neuro-immune dysregulation and blood-brain barrier breakdown underlying ischemic strokes

Abstract

Ischemic stroke is the result of a permanent or transient occlusion of a major brain artery that provokes irreversible tissue injury and long-term sequelae. Beyond neurodegeneration, the subsequent energy/oxygen deprivation triggers a cascade of cellular and molecular events encompassing the nervous, immune, and vascular systems. Despite ongoing improvements, therapeutic failure remains notorious, and stroke carries and enormous global burden, being the second leading cause of death worldwide. Neuroinflammation, blood-brain barrier (BBB) breakdown, and immune deregulation are the major hallmarks of the pathogenesis and outcomes of brain ischemia. Importantly, these processes unfold over different spatiotemporal scales, including both responses to damage and the ensuing attempts at recovery. Understanding the interconnected and complex mechanisms that globally modulate these responses is essential for developing successful therapeutic strategies, and also emphasizes the need to comprehensively explore endogenous mediators. In this context, our study focuses on cortistatin, a neuropeptide widely distributed neuropeptide in the central nervous and immune systems. The anti-inflammatory, immunomodulatory, and neuroprotective properties of cortistatin make it an attractive endogenous target and a novel therapeutic agent for neuroinflammatory-vascular disorders including stroke. Therefore, our investigation explores the involvement of this neuropeptide in neuroinflammation, immune dysregulation, and BBB dysfunction associated with stroke, as well as its potential therapeutic application. For this purpose, we used the widely-known preclinical model of stroke MCAO (middle cerebral artery occlusion) in young (3 months old) and middle-aged (6 months old) wild-type and cortistatin-deficient mice. Our findings reveal that the absence of cortistatin increases susceptibility to stroke and worsens prognosis in cortistatindeficient mice (i.e., worsened neurological score, severe microglial activation, impaired astrocyte scar, disrupted BBB, dysregulated angiogenesis, and exacerbated immune infiltration and peripheral response). Furthermore, we found that the endogenous lack of cortistatin predisposes brain endothelium to weakening, leading to increased permeability, tight-junctions breakdown, dysregulated immune activity, and disrupted and/or deactivated genetic programming. These pathways, crucial for both basic physiology and repair after damage (e.g., extracellular matrix remodeling, angiogenesis, response to oxygen, signaling, and metabolites transport), become dysfunctional, rendering cortistatin-deficient brain endothelium unresponsive to further injury. Our results also demonstrate that treatment with cortistatin at later stages in wild-type and cortistatin-deficient mice of both age groups reverses stroke outcomes. This is evidenced by improved neurological score, smaller lesions, reduced/modulated glial response, regulation of the glial scar formation, BBB recovery, and decreased peripheral immune response. Importantly, we reported that cortistatin targets hyperpermeability, tight-junctions disruption, and the inflammatory response observed after ischemic conditions in the human and mouse brain endothelium. In conclusion, our results highlight the key role of cortistatin in regulating the intricate interplay between the nervous and the immune systems, modulating dysregulated cellular and molecular responses from both systems that could impact brain homeostasis. This also underscores the importance of shifting the focus of stroke therapies towards regulating and balancing neurotoxic processes to prevent chronic detrimental responses rather than entirely halting them. Moreover, our findings suggest that cortistatin-based therapies may represent a novel multifunctional treatment for ischemic stroke, holding significant promise compared to interventions targeting only a single aspect of stroke physiopathology. Finally, the efficient application of these multimodal therapies at later times and across different ages and phenotypes opens the door for extending the therapeutic window for many patients who unfortunately do not meet the current clinical criteria.

El accidente cerebrovascular isquémico o ictus se produce debido a la obstrucción permanente o temporal de una arteria cerebral, generando daño irreversible en el tejido y secuelas a largo plazo. Más allá de la neurodegeneración, la subsiguiente privación de energía y oxígeno desencadena una cascada de eventos celulares y moleculares que afectan a los sistemas nervioso, inmunológico y vascular. A pesar de los continuos avances en investigación y clínica, el fallo terapéutico sigue siendo notorio y el ictus se mantiene como la segunda causa de muerte a nivel mundial. La neuroinflamación, la ruptura de la barrera hematoencefálica (BHE) y la desregulación inmunológica son los principales rasgos patogénicos de la isquemia cerebral. Estos procesos se desarrollan en diferentes etapas espacio-temporales, abarcando respuestas agudas al daño, pero siendo también partícipes en la recuperación posterior. Comprender los complejos e interconectados mecanismos que modulan estas respuestas es esencial para desarrollar estrategias terapéuticas exitosas, destacando especialmente la necesidad de explorar exhaustivamente los mediadores endógenos. En este contexto, nuestro estudio se centra en cortistatina, un neuropéptido ampliamente distribuido en los sistemas nervioso central e inmunológico. Las propiedades antiinflamatorias, inmunomoduladoras y neuroprotectoras de cortistatina le convierten en una atractiva diana endógena y en un nuevo agente potencialmente terapéutico para trastornos neuroinflamatorios-vasculares como el accidente cerebrovascular. Por lo tanto, nuestra investigación explora la participación de este neuropéptido en la neuroinflamación, la desregulación inmunológica y la disfunción de la BHE asociadas con el ictus, así como su potencial aplicación terapéutica. Para ello, utilizamos el modelo preclínico de ictus por oclusión de la arteria cerebral media (MCAO) en ratones jóvenes (3 meses) y de mediana edad (6 meses) salvajes (wild-type) y deficientes en cortistatina. Nuestros descubrimientos revelan que la ausencia de cortistatina aumenta la susceptibilidad al accidente cerebrovascular y agrava el pronóstico clínico en ratones deficientes en cortistatina (empeoramiento del daño neurológico, activación microglial severa, cicatriz astrocítica disfuncional, BHE disrumpida, angiogénesis desregulada e infiltración inmunológica y respuesta inmunológica periférica exacerbadas). Además, encontramos que la falta endógena de cortistatina predispone al endotelio cerebral a debilitarse, además de aumentar su permeabilidad, romper las llamadas uniones estrechas, desregular la actividad inmunológica y desactivar ciertas vías moleculares. Estas vías, cruciales tanto para la actividad fisiológica básica como para procesos de reparación después del daño (por ejemplo, remodelación de la matriz extracelular, angiogénesis, respuesta al oxígeno, señalización y transporte de metabolitos), se vuelven disfuncionales, haciendo que el endotelio cerebral deficiente en cortistatina sea incapaz de responder a daños adicionales. Nuestros resultados también demuestran que el tratamiento con cortistatina en etapas tardías revierte los resultados del accidente cerebrovascular en ambos grupos de edad de ratones y tanto en wild-type como deficientes en cortistatina. Esto se evidencia por la mejora de la escala de daño neurológico, lesiones isquémicas reducidas, respuesta glial reducida/modulada, regulación de la formación de la cicatriz glial, recuperación de la BHE y disminución de la respuesta inmunológica periférica. Es importante destacar que cortistatina también modula la hiperpermeabilidad de la BHE, la disrupción de las uniones estrechas y la respuesta inflamatoria en condiciones isquémicas en el endotelio cerebral humano y de ratón. En conclusión, nuestros resultados destacan el papel clave de cortistatina endógena en la regulación de la compleja interacción entre los sistemas nervioso e inmunológico, modulando respuestas celulares y moleculares desreguladas de ambos sistemas que podrían afectar la homeostasis cerebral. Esto subraya la necesidad de cambiar el enfoque de las terapias del ictus, orientándolas hacia la regulación y el equilibrio de los procesos neurotóxicos para prevenir respuestas crónicas perjudiciales en lugar de detenerlas por completo. Además, nuestros hallazgos sugieren que las terapias basadas en cortistatina pueden representar un novedoso tratamiento multifuncional para el accidente cerebrovascular isquémico, con un gran potencial en comparación con las intervenciones que se solo centran en un aspecto de la fisiopatología del mismo. Finalmente, la aplicación eficiente de estas terapias multimodales en etapas tardías y en diferentes edades y fenotipos (considerando posibles cambios interindividuales en diferentes factores y mediadores endógenos) abre la puerta para ampliar la ventana terapéutica para la mayoría de pacientes que no cumplen con los criterios clínicos.