Tipologia circadiana e polimorfismos do gene Clock PER3 como fatores modificadores do sistema descendente da dor e do efeito da estimulação transcraniana de corrente contínua

Abstract

Introdução: Os ritmos circadianos são orientados de forma endógena e oscilam com periodicidade aproximada de 24 horas, podendo ser sincronizados com o ambiente temporal externo, por meio de estímulos foto ou atividade-dependentes. O principal marca-passo circadiano é localizado no núcleo supraquiasmático hipotalâmico (NSQ) e controla muitas variáveis fisiológicas e comportamentais por meio da função sincronizada de genes-relógio que regulam os ritmos em todo o sistema nervoso central e periférico. Variações polimórficas no gene-relógio PERIOD 3 (PER3) podem levar a anormalidades no ciclo sono-vigília (CSV) e mudanças fenotípicas na tipologia circadiana, as quais podem alterar os padrões de sono e consequentemente a modulação dos mecanismos descendentes da dor. Além disso, a tipologia circadiana, que classifica os indivíduos em matutinos, vespertinos ou indiferentes, também pode afetar a excitabilidade das membranas e o equilíbrio entre os sistemas excitatórios e inibitórios. O efeito encadeado destes sistemas pode modificar respostas fisiológicas, tais como a excitabilidade cortical e a potência dos sistemas endógenos moduladores da dor. Então, neste estudo investigou-se como a tipologia circadiana, o jet lag social e o gene relógio PER3 se relacionam com a excitabilidade cortical, com marcadores de neuroplasticidade como a modulação descendente da dor, o Fator Neurotrófico Derivado do Cérebro (Brain-Derived Neurotrophic Factor - BDNF) e S100-β. Sobretudo, investigou-se a relação entre a tipologia circadiana com o efeito da Estimulação Transcraniana de Corrente Contínua (ETCC) aplicada em domicílio. Estudo I: No primeiro estudo avaliou-se a interação entre fatores geográficos associados à latitude, parâmetros circadianos e sono. Para responder a esta questão, foram avaliados o polimorfismo do gene PER3, parâmetros do sono e variáveis do ritmo circadiano de indivíduos residentes em três diferentes latitudes do Brasil. Métodos: Um estudo multicêntrico foi conduzido pela Universidade de São Paulo com a colaboração dos autores desse estudo e foram escolhidas três amostras de 1.241 estudantes universitários residentes em três latitudes no Brasil (9o, 22o e 30o sul), utilizando o Questionário de Cronotipo de Munique (MCTQ) e a Escala de sonolência de Epworth. Resultados: Os resultados do primeiro estudo em relação aos parâmetros do sono relacionados com os genótipos PER3 em diferentes latitudes, mostrou que durante os fins de semana (dias livres), o genótipo PER34/4 está associado a um sono mais longo na latitude de Porto Alegre (latitude 30oS); já os genótipos PER34/5 e PER35/5 estão associados com maior duração do sono durante a semana em Campinas (latitude 22oS). Em relação à tipologia circadiana, os voluntários são, em média, mais matutinos na latitude 9oS (Maceió), enquanto que o padrão oposto foi encontrado na latitude de 30oS, mostrando a prevalência de vespertinidade. Na latitude intermediária de 22oS, o cronotipo intermediário foi o mais encontrado. Conclusão: A variação no ciclo claro/escuro (CE) ambiental ao longo do ano (que se relaciona com diferentes latitudes) gera, por meio do processo de arrastamento, diferentes resultados na duração do sono e fenótipos circadianos, sendo que o gene PER3 modula a forma como o sistema circadiano humano se sincroniza ao ambiente. Estudo II: O segundo estudo teve como objetivo avaliar a variação do sistema modulador descendente de dor pela alteração na escala numérica de dor (NPS 0-10) durante a tarefa de modulação de dor condicionada (CPM-task) entre os polimorfismos do gene relógio PER34/4 e PER35/5. Além disso, avaliou-se a relação desses genes com as medidas da dor [limiar de dor ao calor, tolerância à dor, cold pressor task (CPT)], S-100-β e BDNF. Métodos: Neste estudo transversal, foram incluídos 20 voluntários saudáveis (de 18 a 30 anos). As avaliações foram o teste sensorial quantitativo (QST), o paradigma de CPM-task, a tarefa cold pressor task (CPT), o BDNF e S100β. Todas essas medidas foram feitas de manhã e à tarde. O fenótipo circadiano foi determinado usando o Questionário ChronoType de Munique (MCTQ). Resultados: O Modelo Linear Generalizado (GLM) revelou uma diferença significativa na média da tarefa Δ-CPM-task (tarde menos manhã) entre os polimorfismos do gene relógio PER34/4 -0,54 (0,78) vs. 0,70 (0,90) (χ2 = 7,255; df = 1 'P = 0,007), respectivamente. A privação do sono [B = -0,49, intervalo de confiança (IC) 95% = - 0,86 a -0,12)] e a proteína Δ-S100-B [-0,03, (IC) 95% = -0,06 a -0,01] foi correlacionada negativamente com a tarefa Δ- CPM. Houve diferença na média do Δ-CPT entre PER34/4 vs. PER35/5 [-0.11 (4.51) vs. PER35/5 4.00 (2.60) (χ2 = 22.251; df = 1 'P = 0.000). Na análise de interação do polimorfismo com privação de sono ocorreu uma inversão na direção da correlação com os genes relógio, em ambos os resultados Δ-CPM-task e Δ-CPT. Conclusão: Esses achados sugerem que os polimorfismos do gene-relógio PER3 podem modular o sistema modulador descendente de dor. No entanto, a privação do sono é provavelmente um fator determinante para propiciar uma menor eficiência desse sistema, apesar do efeito do gene do relógio PER3. Estudo III O terceiro estudo buscou avaliar o efeito de 10 sessões de estimulação transcraniana de corrente contínua (ETCC) de uso domiciliar, tanto no potencial evocado motor (MEP) quanto no Fator Neurotrófico Derivado do Cérebro (BDNF), de acordo com a tipologia circadiana (matutinos ou vespertinos) determinada pelo Questionário de Cronotipo de Munique (MCTQ). Métodos: Foram incluídos 14 voluntários saudáveis [(n = 6) matutinos e (n = 8) vespertinos), com idade entre 18 e 30 anos, destros, elegíveis a partir de uma amostra inicial de 456 participantes. Os resultados foram o MEP avaliado pela estimulação magnética transcraniana (TMS) e BDNF sérico. As variações de MEP e BDNF foram avaliadas antes e após 10 sessões de ETCC anódica aplicada no córtex motor primário (M1) esquerdo e catódico na região supraorbital direita. O fluxo de corrente foi de 2mA, durante 20 minutos. Resultados: O Modelo Linear Generalizado (GLM) revelou que, no final do tratamento, ocorreu uma diferença significativa no Δ-MEP expresso como uma porcentagem. A mediana (md) e interquartil (IQ25-75) no Δ-MEP nos matutinos e vespertinos foram 69,86 (50,50, 78,29) vs. 23,01 (15,11, 50,80), respectivamente [(χ2 = 15,13, DF (graus de liberdade) = 1, P = 0,000)]. Enquanto no final do tratamento a mediana e o IQ25-75 no Δ-BDNF nos matutinos vs. vespertinos eram -1,50 (-27,26, 7,78) vs. -39,27 (-55,68, -11,58), respectivamente [(χ2 = 4,91, DF = 1, P = 0,027)]. Um maior atraso no jet lag social e a hora do uso da ETCC foram correlacionados positivamente com a variação Δ-BDNF, apesar do cronotipo. Conclusão: Nossos achados indicam que a propensão individual para a matutinidade foi associada a uma maior mudança no Δ-MEP, enquanto observou-se uma maior mudança no Δ-BDNF nos vespertinos em comparação com os matutinos ao final do tratamento. Além disso, os resultados sugerem que os processos de neuroplasticidade no final do tratamento estão relacionados ao estado de excitabilidade cortical basal de acordo com a tipologia circadiana e o jet lag social, independentemente da hora de uso da ETCC. Estudo IV Considerando o potencial de impacto dos fatores relacionados à ritmicidade circadiana nos processos de neuroplasticidade e no efeito da estimulação cerebral não-invasiva (Non-invasive brain stimulation – NIBS), o quarto estudo teve como objetivo avaliar a adesão e impedância de contato como medidas de factibilidade do equipamento de ETCC domiciliar. Métodos: Realizou-se um estudo experimental com 20 participantes saudáveis e 8 pacientes com diagnóstico de fibromialgia (FM), os quais utilizaram o equipamento de ETCC domiciliar por 10 e 60 sessões respectivamente. Avaliou-se a adesão às sessões propostas, os valores de impedância de contato e a presença de efeitos adversos (EA). Resultados: Os participantes tiveram uma adesão à terapia de 93,25%, realizando 650 das 697 sessões previstas. Além disso, o equipamento mostrou uma impedância de contato de 2,93 [desvio padrão - DP (1,04)] para os participantes saudáveis e 2,82 [DP (1,15)] para os com FM. Houve relatos de EA de intensidade leve, sendo mais prevalentes o prurido, formigamento e sensação de queimação, os quais não persistiram após o término das sessões. Conclusão: Os resultados sugerem que o equipamento de ETCC desenvolvido apresenta viabilidade para uso domiciliar com bom potencial de adesão avaliados por meio da monitoração da impedância da corrente de contato, com reduzida incidência de efeitos adversos menores. No global, estes resultados mostram que o uso da ETCC domiciliar é um equipamento para uso terapêutico com boa perspectiva para a realização de ensaios clínicos com maior número de pacientes, nos quais a alocação do horário da aplicação da ETCC possa ser definida de acordo com marcadores associados à ritmicidade circadiana, tais como o horário de preferência circadiana.

Introduction: Circadian rhythms are orientated endogenously and oscillate with approximately 24-hour periodicity, and can be synchronized with the external temporal environment, by means of photo or activity-dependent stimuli. The major circadian pacemaker is located in the suprachiasmatic nucleus (SCN) and controls many physiological and behavioral variables through the synchronized clock-gene function that regulates rhythms throughout the central and peripheral nervous system. Polymorphic variations in the PERIOD3 clock gene (PER3) may lead to abnormalities in the sleep-wake cycle and phenotypic changes in the circadian typology, which may alter sleep patterns and consequently modulate the descending mechanisms of pain. In addition, the circadian typology, which classifies subjects in morningness, eveningness or indifferent, can also affect the excitability of the membranes and the balance between the excitatory and inhibitory systems. The chained effect of these systems may modify physiological responses, such as cortical excitability and the potency of endogenous pain modulating systems. So, in this study we investigated how the circadian typology, social jet lag and a PER3 clock gene are related to cortical excitability, with markers of neuroplasticity such as descending pain modulating and Brain-Derived Neurotrophic Factor (BDNF). Above all, we investigated the relationship between the circadian typology with Transcranial Direct Current Stimulation (tDCS) effect applied at home. Study I: The first study evaluated the interaction between geographic factors associated with latitude, circadian parameters and sleep. To answer this question, we evaluated the PER3 gene polymorphism, sleep parameters and circadian rhythm variables of individuals living in three different latitudes in Brazil. Methods: A multicenter study was conducted by the University of São Paulo with the collaboration of the authors of this study and three samples of 1.241 university students residing in three latitudes in Brazil (9o, 22o and 30o South) were chosen using the Munich Chronotype Questionnaire (MCTQ) and the Epworth Sleepiness Scale. Results: The results of the first study in relation to sleep parameters related to PER3 genotypes in different latitudes showed that during the weekends (free days) the genotype PER34/4 is associated to a longer sleep in latitude 30oS (Porto Alegre); the PER34/5 and PER35/5 genotypes are associated with longer sleep duration during the week in latitude 22oS (Campinas). Regarding the circadian typology, the volunteers are, on average, more morning at 9oS latitude (Maceio), while the opposite pattern was found at latitude 30oS, showing the prevalence of evening. At the intermediate latitude of 22oS, the intermediate chronotype was the most found. Conclusion: The variation in the environmental light/dark (LD) cycle throughout the year (which is related to different latitudes) generates, through the entrainment process, different results on sleep duration and circadian phenotypes, and the PER3 gene modulates the way the human circadian system synchronizes with the environment. Study II: The second study aimed to evaluate the variation of descending pain modulatory system (DPMS) by the change in the Numerical Pain Scale (NPS 0-10) during the conditioned pain modulation (CPM-task) between PER34/4 and PER35/5 clock genes. Additionally, we assessed the relationship these clock genes with pain measures [heat pain threshold, pain tolerance, cold pressor task (CPT)] and serum Brain-Derived Neurotrophic Factor (BDNF) and S100-β protein. Methods: In this cross-sectional study, were included 20 healthy volunteers (from 18 to 30 years-old). The assessments were the Quantitative Sensory testing these measures were done in the morning and the afternoon. The circadian phenotype was determined using the Munich ChronoType Questionnaire (MCTQ). Results: Generalized Linear Models (GLM) revealed a significant difference in the average of the Δ-CPM-task between clock genes PER34/4 -0.54 (0.78) vs. 0.70 (0.90) (χ2=7.256; df=1’ P=0.007), respectively. The sleep-deprivation [B=-0.49, confidence interval (CI) 95%=-0.86 to -0.12)] and the Δ-S100-B protein [-0.03, (CI) 95%= -0.06 to -0.01] were negatively correlated with the Δ-CPM-task. There was a difference in the average of the Δ-CPT between PER34/4 vs. PER35/5 [-0.11(4.51) vs. PER35/5 4.00 (2.60) (χ2=22.251; df=1’ P=0.000). In the interaction analysis of the polymorphism with sleep deprivation occurred an inversion in the direction of the correlation with clock genes, in either outcomes Δ-CPM-task and Δ-CPT. Conclusion: These findings suggest that the polymorphisms of clock genes' PER3 can modulate the DPMS. However, the sleep deprivation is likely a determinant factor to prone a less efficiency of DPMS, despite the PER3 clock gene effect. Study III The third study evaluated the effect of 10 sessions of transcranial direct current stimulation (tDCS) at home-based in either motor evoked potential (MEP) and serum brain-derived neurotrophic factor (BDNF), according to circadian typology (morningness or eveningness) determined by the Munich ChronoType Questionnaire (MCTQ). Methods: We recruited 14 healthy volunteers [(n=6) morningness and (n=8) eveningness chronotypes], age 18 to 30 years old, right-handed, eligible from an initial sample of 456 participants. The outcomes were the MEP assessed by the transcranial magnetic stimulation (TMS) and serum BDNF. The MEP and BDNF variations were evaluated before, and after10 sessions of tDCS anodic stimulation applied at left primary motor cortex (M1) and cathodal on the right supraorbital. The current flow was 2mA, during 20 minutes. Results: Generalized Linear Models (GLM) revealed that at the treatment end occurred a significant difference in the Δ-MEP expressed as a percentage. The median (md) and interquartile (IQ25-75) in the Δ-MEP in morningness and eveningness were 69.86 (50.50, 78.29) vs. 23.01 (15.11, 50.80), respectively [(χ2= 15.13, DF (degrees of freedom)= 1, P= 0.000)]. While at the treatment end the md and the IQ25-75 in the Δ-BDNF in morningness vs. eveningness were -1,50 (-27,26, 7,78) vs. -39,27 (-55,68, -11,58), respectively [(χ2= 4.91, DF= 1, P= 0.027)]. A largest social jet lag and the hour of the use of tDCS were correlated positively with the Δ-BDNF variation, despite the chronotype. Conclusion: Our findings indicate that the individual propensity for a morningness was associated with a greater change in the Δ-MEP, while we observed a greater change in the Δ- BDNF in eveningness compared to morningness at the treatment end. Besides, results suggest that the neuroplasticity processes at treatment end are related to basal cortical excitability state according to circadian typology and social jet lag, regardless of the hour of use of tDCS. Study IV The fourth study aimed to develop and evaluate the feasibility of using tDCS home-based, validated through the effect on healthy subjects and fibromyalgic patients. Methods: An experimental study was carried out with 20 healthy participants and 8 fibromyalgia (FM) patients, who used tDCS home-based for 10 and 60 sessions respectively. Were evaluated adherence to the proposed sessions, contact impedance values and the presence of adverse effects (AE). Results: Participants had a therapy adherence of 93.25%, performing 650 of the 697 sessions planned. In addition, the device showed a contact impedance of 2.93 [standard deviation - SD (1.04)] for healthy participants and 2.82 [SD (1.15)] for FM patients. There were reports of AE of mild intensity, with pruritus, tingling and burning sensation being more prevalent, which did not persist after the end of the sessions. Conclusion: The results suggest that the tDCS home-based development presents feasibility for home use with good adhesion potential, evaluated through the monitoring of contact current impedance, with a reduced incidence of minor adverse effects. Overall, these results show that the use of tDCS at is a therapeutic possibility with a good future perspective for conducting clinical trials with a larger number of patients, in which the time allocation of the tDCS application is defined according to markers associated with circadian rhythmicity, such as the circadian preference time.