Investigação sobre os efeitos da administração intracerebral do ácido D-2-hidroxiglutárico sobre a homeostase redox e histopatologia em cérebro de ratos neonatos

Abstract

A acidúria D-2-hidroxiglutárica (D-2-HGA) é uma doença neurometabólica primeiramente descrita por Chalmers e colaboradores, caracterizada bioquimicamente pelo acúmulo tecidual e elevada excreção urinária do ácido D-2-hidróxiglutárico (D-2-HG). A nível molecular, a D2HGA pode ser causada por mutações no gene que codifica a enzima mitocondrial D-2-hidroxiglutarato desidrogenase (D-2-HGDH) levando a deficiência desta enzima ou por mutações específicas de ganho de função da isocitrato desidrogenase 2 (IDH2). As manifestações clínicas da D-2-HGA são majoritariamente neurológicas, tais como epilepsia, hipotonia e retardo no desenvolvimento mental e psicomotor. Esse erro inato do metabolismo apresenta dois fenótipos distintos: uma forma neonatal grave e com risco de vida e uma variante mais branda da doença. Visto que os mecanismos fisiopatogênicos responsáveis pelo dano ao SNC nos pacientes afetados por essa doença ainda não estão totalmente elucidados, o presente trabalho teve por objetivo investigar os efeitos ex vivo da administração intracerebroventricular (icv) do D-2HG a ratos Wistar neonatos sobre a homeostase redox e a imunohistopatologia nas principais estruturas cerebrais afetadas nos pacientes com D-2-HGA (estriado e córtex cerebral). Em alguns experimentos, os animais foram pré-tratados intraperitonealmente com o antioxidante melatonina ou com o antagonista de receptores glutamatérgico do tipo NMDA MK-801 uma hora antes da administração icv de D-2-HG. Inicialmente, avaliamos os efeitos do D-2-HG 6 horas após a administração icv sobre os parâmetros de homeostase redox. Os resultados mostraram que a administração de D-2-HG induziu lipoperoxidação, determinada pelo aumento significativo nos níveis de malondialdeído (MDA), em estriado e córtex cerebral dos animais neonatos. Também verificamos que o D-2-HG promoveu uma redução significativa do conteúdo de grupos sulfidrilas em estriado e aumento na formação de grupamentos carbonila no córtex cerebral, evidenciando dano oxidativo às proteínas em ambas as estruturas. Além disso, o metabólito aumentou a oxidação da 2’,7’ - diclorofluoresceína (DCFH) no córtex cerebral e estriado, o que, somado ao aumento nos níveis de nitratos e nitritos em cérebro total, sugere que o D-2-HG provocou um aumento na produção de espécies reativas de oxigênio e de nitrogênio. Por outro lado, as concentrações de GSH foram diminuídas no córtex cerebral e as atividades das enzimas antioxidantes superóxido dismutase (SOD) e catalase (CAT) aumentadas, indicando um provável mecanismo compensatório com aumento da transcrição gênica secundário a elevação das espécies reativas. Demonstramos também que o dano oxidativo aos lipídeos e proteínas e o aumento da produção de espécies reativas induzido por D-2-HG foram prevenidos pelo pré-tratamento dos animais com melatonina e MK-801. Contudo, tanto a melatonina quanto o MK-801 não foram capazes de reverter o aumento provocado pelo D-2-HG na atividade da SOD e CAT observados no córtex cerebral. Finalmente, a avaliação morfológica do cérebro por meio da coloração por hematoxilina e eosina, 24 horas após a injeção icv de D-2-HG, revelou a presença de numerosos vacúolos e edema no córtex cerebral, com efeitos semelhantes, mas menos expressivos no estriado. Também observamos, 15 dias após a administração icv do metabólito, um aumento da proteína glial fibrilar ácida (GFAP), indicando a indução de astrogliose. Concluindo, presumimos que um comprometimento da homeostase redox, bem como a excitotoxicidade glutamatérgica possam estar associados às alterações histopatológicas observadas e contribuir, pelo menos em parte, para a neuropatologia encontrada nos pacientes afetados pela D-2-HGA.

D-2-hydroxyglutaric aciduria (D-2-HGA) is a neurometabolic disorder first described by Chalmers et al., biochemically characterized by tissue accumulation and high urinary excretion of D-2-hydroxygluataric acid (D-2-HG). At the molecular level, D-2-HGA can be caused by mutations in the gene encoding the mitochondrial enzyme D-2-hydroxyglutarate dehydrogenase (D-2-HGDH) leading to deficiency of this enzyme or by specific gain-of-function mutations in the isocitrate dehydrogenase 2 (IDH2). The clinical manifestations of D-2-HGA are mostly neurological, such as epilepsy, hypotonia and psychomotor/mental retardation. The neuropathological findings of this disease are mainly anatomical changes in the central nervous system (CNS) such as enlargement of the lateral ventricles (cortical atrophy), changes in the basal ganglia, subependymal cysts and delayed brain maturation. This inborn error of metabolism presents two distinct phenotypes: a severe and life-threatening neonatal form or a mild form of disorder. Considering that the pathophysiological mechanisms underlying the CNS damage observed in affected individuals remain unclear, the aim of the present work was to investigate the ex vivo effects of D-2-HG intracerebroventricular (icv) administration to neonatal Wistar rats on parameters of redox homeostasis and on the immunohistotopathology of the main structures affected in patients with D-2-HGA (striatum and cerebral cortex). In some experiments, the animals were pretreated intraperitoneally with antioxidant (melatonin) or NMDA receptor antagonist (MK-801) one hour prior to icv administration of D-2-HG. D-2-hydroxyglutaric aciduria (D-2-HGA) is a neurometabolic disorder first described by Chalmers et al., biochemically characterized by tissue accumulation and high urinary excretion of D-2-hydroxygluataric acid (D-2-HG). At the molecular level, D-2-HGA can be caused by mutations in the gene encoding the mitochondrial enzyme D-2-hydroxyglutarate dehydrogenase (D-2-HGDH) leading to deficiency of this enzyme or by specific gain-of-function mutations in the isocitrate dehydrogenase 2 (IDH2). The clinical manifestations of D-2-HGA are mostly neurological, such as epilepsy, hypotonia and psychomotor/mental retardation. The neuropathological findings of this disease are mainly anatomical changes in the central nervous system (CNS) such as enlargement of the lateral ventricles (cortical atrophy), changes in the basal ganglia, subependymal cysts and delayed brain maturation. This inborn error of metabolism presents two distinct phenotypes: a severe and life-threatening neonatal form or a mild form of disorder. Considering that the pathophysiological mechanisms underlying the CNS damage observed in affected individuals remain unclear, the aim of the present work was to investigate the ex vivo effects of D-2-HG intracerebroventricular (icv) administration to neonatal Wistar rats on parameters of redox homeostasis and on the immunohistotopathology of the main structures affected in patients with D-2-HGA (striatum and cerebral cortex). In some experiments, the animals were pretreated intraperitoneally with antioxidant (melatonin) or NMDA receptor antagonist (MK-801) one hour prior to icv administration of D-2-HG. On the other hand, GSH concentrations were decreased only in the cerebral cortex, besides provoking an increase in the activity of the antioxidant enzymes superoxide dismutase (SOD) and Catalase (CAT), indicating a probable compensatory mechanism with increased gene transcription secondary to observed reactive species elevation. In the striatum, the activity of SOD, CAT and glutathione peroxidase (GPx) were decreased, an effect that can be attributed to oxidative damage to protein structures, leading to a decrease in the catalytic activity of these enzymes. Furthermore, D-2-HG-induced lipid and protein oxidative damage and increase of reactive species production in the cerebral cortex and striatum were prevented by the pretratament with melatonin or MK-801. However, melatonin and MK-801 were not able to reverse the increase caused by D-2-HG in the SOD and CAT activity observed in the cerebral cortex. Finally, histological brain sections 24 hours after the D-2-HG icv injection, stained with hematoxilin and eosin, showed the presence of numerous vacuoles and edema in the cerebral cortex, with less effects in the striatum. Moreover, we observed that 15 days after the administration of metabolite, an increase of the glial fibrillary acidic protein (GFAP), suggesting that D-2-HG promotes astrogliosis. In conclusion, it may be presumed that the disturbance of cell redox homeostasis and glutamatergic excitotoxicity are associated with the histopathological changes observed, and may contribute at least in part to the neuropathology found in patients affected by D-2-HGA.