Alterações metabólicas relacionadas à excitotoxicidade glutamatérgica em um modelo experimental de isquemia cerebral

Abstract

A isquemia cerebral (IC) é uma das principais causas de morte e morbidade no mundo. A ausência de agentes neuroprotetores eficazes na clínica estimulou a busca por mecanismos endógenos de neuroproteção e como ativá-los. Sabe-se que a penumbra, região no entorno do infarto, pode passar por alterações celulares e moleculares para adaptar-se à lesão isquêmica, sendo considerada um alvo terapêutico potencial. Um dos mecanismos patofisiológicos da IC envolve a liberação excessiva de glutamato, o principal aminoácido excitatório no sistema nervoso central de mamíferos, causando excitotoxicidade. Além de neurotransmissor, o glutamato é um intermediário metabólico, estando intimamente relacionado com mecanismos de suporte energético. Considerando a importância do glutamato para o metabolismo e a interconectividade cerebral, bem como sua contribuição para a propagação da lesão isquêmica, esta tese teve como objetivo avaliar as alterações cerebrais relacionadas à indução de isquemia focal permanente (FPI) na zona de penumbra, com enfoque no sistema glutamatérgico, no metabolismo energético, alterações astrocitárias e parâmetros comportamentais em ratos adultos. No primeiro capítulo, utilizamos um modelo experimental de FPI induzida cirurgicamente por termocoagulação do sangue no interior dos vasos piais nos córtices motor e sensório-motor em ratos Wistar machos adultos. Observamos que a maioria das alterações neuroquímicas ocorreu no hemisfério lesionado e persistiu até 9 dias pós-FPI. A captação de glutamato, bem como a oxidação de lactato estavam aumentadas em ambos os hemisférios 2 dias pós-FPI, sugerindo que o glutamato poderia estar sendo convertido em lactato para suporte neuronal. Observamos um aumento da oxidação de substratos ex vivo, bem como uma compensação da diminuição do imunoconteúdo de MCT2 pelo aumento de MCT4, indicando uma adaptação metabólica à lesão. Em um segundo estudo, foi utilizado um prétratamento com ceftriaxona (CTXpre, 200 mg/kg/dia, por 5 dias, i.p.), conhecido por aumentar a expressão/atividade de GLT-1, principal transportador glutamatérgico do cérebro adulto, para estudar seus efeitos no metabolismo energético frente à FPI. O CTXpre diminuiu o volume do infarto e melhorou o desempenho motor, preservando a memória de curto prazo. O CTXpre não preveniu a diminuição da proteína GLT-1 pós-FPI, mas potencializou a atividade de captação de glutamato por preservar a atividade da glutamina sintetase. O CTXpre preveniu completamente o aumento da oxidação de substratos causado pela FPI, exceto para o glutamato. O perfil de aminoácidos no líquido cefalorraquidiano sugere uma maior oxidação de glutamato no grupo isquêmico pré-tratado. Juntos, esses resultados destacam a importância do gerenciamento energético do glutamato como alvo terapêutico, evidenciando seu impacto no prognóstico a médio e longo prazos frente a um modelo experimental de FPI.

Cerebral ischemia (IC) is a major cause of death and morbidity worldwide. The absence of effective neuroprotective agents in the clinic has stimulated the search for endogenous mechanisms of neuroprotection and how to activate them. It is known that the penumbra, the region surrounding the infarct, can undergo cellular and molecular changes to adapt to the ischemic injury, being considered a potential therapeutic target. One of the pathophysiological mechanisms of IC involves the excessive release of glutamate, the main excitatory amino acid in the central nervous system of mammals, causing excitotoxicity. In addition to its role as a neurotransmitter, glutamate is a metabolic intermediary closely related to energy support mechanisms. Considering the importance of glutamate for brain metabolism and interconnectivity, as well as its contribution to the propagation of ischemic damage, this thesis aimed to evaluate alterations related to the induction of focal permanent ischemia (FPI) in the penumbra zone, focusing on the glutamatergic system, energy metabolism, astrocytic parameters and behavioral aspects in rats. In the first chapter, we used an experimental model of FPI surgically induced by thermocoagulation of the blood inside the pial vessels in the motor and sensorimotor cortex in adult male Wistar rats. We observed that most neurochemical alterations occurred in the injured hemisphere and persisted until 9 days post-FPI. Glutamate uptake and lactate oxidation were increased simultaneously in both hemispheres 2 days post-FPI, suggesting that glutamate-derived lactate could be supporting neurons metabolically. We observed an increase in substrates oxidation ex vivo, as well as compensation for the decrease in MCT2 immunocontent by the increase in MCT4, indicating a metabolic adaptation to the lesion. In a second study, we used a pretreatment with ceftriaxone (CTXpre, 200 mg/kg/day, for 5 days, i.p.) known to increase the expression/activity of GLT-1, the main glutamatergic transporter of the adult brain, to study its effects on energy metabolism after FPI induction. CTXpre decreased cerebral infarction volume and improved motor performance, preserving short-term memory. CTXpre did not prevent the decrease in GLT-1 protein post-FPI, but potentiated glutamate uptake by preserving glutamine synthase activity. CTXpre completely prevented the increase in substrate oxidation caused by FPI, except for glutamate. The amino acid profile in the cerebrospinal fluid suggest greater oxidation of glutamate in the pretreated ischemic group. Together, these results highlight the importance of glutamate metabolic handling as a promising therapeutic target, as well as its impact on the medium and long-term prognosis in an experimental FPI model.