Efeitos do metilglioxal em parâmetros comportamentais e neuroquímicos in vitro e ex vivo

Abstract

O diabetes mellitus é uma doença metabólica caracterizada por níveis elevados de glicose no jejum e está associada com a perda da função cognitiva e um maior risco de desenvolvimento de doenças neurodegenerativas, tais como a Doença de Alzheimer (DA). As complicações do diabetes estão relacionadas com a hiperglicemia, níveis elevados de compostos reativos, como o metilglioxal (MG) e a formação de produtos finais de glicação avançada (do inglês Avanced Glycation End Products - AGEs). Os AGEs e o MG - um aldeído reativo envolvido no estresse dicarbonil e na formação de AGEs – encontram-se elevados em pacientes com diabetes e DA e têm sido sugeridos como mediadores do declínio cognitivo observado nessas patologias. Estudos indicaram que os astrócitos possuem o sistema glioxalase mais efetivo que os neurônios e, portanto, podem proteger os neurônios do estresse dicarbonil. Entretanto, as reações de glicação estão associadas com o prejuízo no funcionamento dos astrócitos, que, desta forma, comprometem a atividade neuronal. Tendo em vista que as reações de glicação estão exacerbadas no diabetes e em doenças neurodegenerativas sugere-se que nestas situações o dano neuronal seja ainda maior. Este trabalho teve como objetivo avaliar a suscetibilidade ao dano induzido pelo MG em culturas de astrócitos e de glioma C6 e examinar o efeito da alta concentração de glicose, do MG e da carboxietil-lisina (CEL), um AGE derivado da reação do MG com a lisina, em parâmetros oxidativos, metabólicos e específicos de astrócitos em fatias de hipocampo in vitro. Além disso, verificar se a administração intracerebroventricular (ICV) de MG causa alterações comportamentais, relacionadas com declínio cognitivo e ansiedade, e alterações bioquímicas em hipocampo, córtex cerebral e líquido cefalorraquidiano (LCR) ex vivo. Em culturas de células observou-se uma alta eficiência do sistema glioxalase em astrócitos em comparação com células C6. O conteúdo de glutationa diminuiu a partir de 1 hora após a exposição ao MG apenas em C6. A captação de glutamato reduziu em astrócitos e aumentou em C6, sendo que este efeito estava relacionado com reações de glicação, mas não com a expressão de transportadores de glutamato analisados. A formação de espécies reativas, a secreção de S100B e o conteúdo da proteína glial fibrilar ácida (GFAP) não foram modificados pelo tratamento com MG nas células estudadas. Em fatias de hipocampo (in vitro) verificou-se que a glicose, o MG e a CEL não alteraram a formação de espécies reativas, a captação de glicose e a atividade da glutamina sintetase. No entanto, a captação de glutamato e a secreção de S100B diminuiram após o tratamento com MG e CEL. Estas mudanças não foram mediadas pela ativação de RAGE e por reações de glicação. A partir do estudo in vivo verificou-se que o MG não causou deficiência nos processos de aprendizagem e memória investigados pelas tarefas de habituação, labirinto em Y e reconhecimento de objetos e não alterou a atividade locomotora dos animais. Contudo, o aumento agudo dos níveis exógenos de MG diminuiu o comportamento do tipo ansiedade, observado através do teste de campo aberto. Em relação às análises ex vivo, o MG induziu alterações persistentes relacionados com a atividade da glioxalase 1, conteúdo de AGEs e captação de glutamato no hipocampo. A formação de espécies reativas, o conteúdo de glutationa, o conteúdo tecidual de GFAP e S100B e a atividade da glutamina sintetase não foram alterados com a administração ICV de MG. É possível concluir que a exposição aguda, in vitro, de fatias de hipocampo ao MG e CEL, mas não à glicose, foi capaz de induzir efeitos semelhantes em fatias de hipocampo, sugerindo que a alta concentração de glicose é tóxica principalmente por elevar a concentração de compostos glicantes, como o MG, e gerar ligações cruzadas com proteínas. O MG foi capaz de induzir prejuízo na captação de glutamato em culturas de astrócitos e fatias de hipocampo, indicando que o MG gera alterações na homestase cerebral através do comprometimento da remoção do glutamato da fenda sináptica, deste modo, contribuindo com as alterações neurológicas relacionadas com o diabetes mellitus. Em suma, as concentrações exógenas de MG e o tempo de exposição a elevadas concentrações deste composto determinam as diferentes características que podem ser observadas em pacientes diabéticos.

Diabetes mellitus is a metabolic disease characterized by high fasting-glucose levels and is associated with loss of cognitive function and a higher risk of developing neurodegenerative diseases, such as Alzheimer's disease (AD). Diabetic complications have been associated with hyperglycemia, high levels of reactive compounds, such as methylglyoxal (MG) and advanced glycation end products (AGEs) formation. AGEs and MG - a reactive aldehyde, involved in dicarbonyl stress and AGEs formation - are elevated in diabetes and AD and have been suggested as mediators of cognitive decline observed in these pathologies. Astrocytes are impaired to glycation processes, although, they have an improved glyoxalase system compared to neurons that protect them from dicarbonyl stress, suggesting that damage to neuronal functions could be increased under diabetes and neurodegenerative diseases. This study aimed to evaluate the susceptibility of astrocytes and C6 glioma cells cultures to MG damage and to examine the effect of high glucose, MG and carboxyethyllysine (CEL), a MG-derived AGE of lysine, on oxidative, metabolic and astrocyte-specific parameters in hippocampal slices in vitro. Furthermore, verify if intracerebroventricular (ICV) administration of MG cause behavioral changes, related to cognitive decline and anxiety, and biochemical alterations in the hippocampus, cerebral cortex and cerebrospinal fluid ex vivo. Since our cultures studies we observed a high efficiency of the glyoxalase system in astrocytes compared to C6 cells. The content of glutathione decreased from 1 hour after MG exposure only in C6 cells. Glutamate uptake was decreased in astrocytes and increased in C6 cells and this effect is related to glycation processes, but not to glutamate transporters expression. The reactive species formation, S100B secretion and glial fibrillary acidic protein (GFAP) content were not modified by MG treatment in either culture studied. With hippocampal slices inbucation (in vitro) it was found that glucose, MG and CEL did not alter reactive species formation, glucose uptake or glutamine synthetase activity. However, glutamate uptake and S100B secretion were decreased after MG and CEL exposure. RAGE activation and glycation reactions did not mediate these changes. From in vivo research it was found that MG did not cause impairment in learning-memory processes investigated by habituation, Y-maze and object recognition tasks and did not alter locomotion behavior of animals. However, the acute increase of MG exogenous levels reduced anxiety-related behavior evaluated in the open field test. Ex vivo findings support that MG induced persistent alterations related to glyoxalase 1 activity, AGEs content and glutamate uptake in hippocampus. The reactive species formation, glutathione content, GFAP and S100B content, as well as glutamine synthetase activity were not altered by MG ICV administration. It is possible conclude that acute MG and CEL exposure, but not glucose, were able to induce similar effects on hippocampal slices in vitro, suggesting that conditions of high glucose concentrations are primarily toxic by elevate the rates of these glycation compounds, as MG, and generate protein cross-links. MG-induced astrocyte glutamate uptake impairment was seen in astrocyte cultures and hippocampal slices, indicating that MG produces changes in brain homeostasis by the impairment of glutamate removal of the synaptic cleft, thus contributing to neurological changes related to diabetes mellitus. The exogenous concentrations of MG and the time of exposure to high concentrations of this compound determine the different features that can be seen in diabetic patients.