Efeito da administração intracerebroventricular de metilglioxal sobre a função astroglial no hipocampo e barreira hematoencefálica

Abstract

O metilglioxal (MG) é um composto dicarbonil, formado a partir de fontes exógenas e endógenas. A taxa de formação do composto depende do metabolismo e tipo celular e pelas condições fisiológicas, sendo, endogenamente, a via glicolítica, a mais importante fonte de produção. Níveis elevados de glicose estão relacionados ao acúmulo de MG no plasma e no líquido cefalorraquidiano (LCR), em doenças como o diabetes mellitus (DM) e a doença de Alzheimer (DA). A alta reatividade do MG leva a modificações de proteínas e outras biomoléculas, gerando produtos finais de glicação avançada (AGEs), apontados como mediadores nessas desordens neurodegenerativas. Além da glicação, outros efeitos resultantes de altos níveis de MG no sistema nervoso central (SNC) são envolvidas na direta modulação da neurotransmissão GABAérgica e glutamatérgica, com evidências sugerindo que os efeitos do MG podem ser relacionados a mudanças comportamentais e disfunção glial. No SNC, os astrócitos são mais suscetíveis ao dano para o estresse dicarbonílico, embora essas células apresentam um sistema glioxalase mais eficiente quando comparado com neurônios, sugerindo um aumento no dano funcional neuronal sob complicações diabéticas e em desordens neurodegenerativas. Em vista disso, o objetivo deste estudo foi avaliar a influência de altas concentrações de MG no SNC. Foi avaliado como a administração intracerebroventricular (ICV) de MG (3 μmol/μL) causa mudanças comportamentais como o declínio cognitivo e ansiedade bem como alterações bioquímicas no hipocampo, soro e LCR. Além disso, nós investigamos a integridade da barreira hematoencefálica (BHE) relacionada às funções astrocitárias no hipocampo.MG induziu, 12 h após a sua administração, um decréscimo na atividade locomotora no campo aberto e efeitos ansiolíticos nos ratos submetidos ao Teste do labirinto em cruz elevado. Subsequentemente, 36 h após a cirurgia ICV, a injeção de MG também induziu prejuízo cognitivo nas memórias de curto e longo prazo, avaliado pela tarefa do reconhecimento de objetos. Foi avaliado também a memória espacial de curto prazo, avaliada pelo teste do Y-maze. Setenta e duas horas após infusão do MG, a captação de glutamato, a atividade da glutamina sintetase e os níveis da glutationa foram diminuídos em relação ao grupo SHAM. Interessantemente, os níveis da proteína astrocitária, S100B, estavam aumentados no LCR, o que foi acompanhado pelo decréscimo na expressão do RNAm da S100B hipocampal, mas não nos níveis da proteína. Não houve mudanças no conteúdo do receptor para AGEs (RAGE). Além disso, nós observamos uma perda na integridade da BHE, avaliada pela entrada do corante azul de Evans blue no tecido cerebral e de albumina no LCR. Além destas alterações, houve decréscimo nos níveis da aquaporina-4 e conexina-43 no tecido hipocampal. A expressão gênica (RNAm) de dois importantes fatores de transcrição da resposta antioxidante, NfkB e Nrf2, não foram alterados no hipocampo. Contudo, a hemeoxigenase-1 (HO-1) foi aumentada no grupo tratado com o MG. Em conjunto, esses dados corroboram com a ideia de que os astrócitos, as principais células responsáveis pelo clearance do MG, são alvos na toxicidade do MG e que a disfunção da BHE induzida por este composto podem contribuir nas alterações cognitivas e comportamentais observadas nesses animais. Isso nos ajuda a melhorar nosso entendimento de como produtos derivados do metabolismo da glicose podem induzir a disfunções cognitivas observadas em pacientes diabéticos bem como em outras condições neurodegenerativas, e uma melhor definição do papel dos astrócitos nas doenças e terapêutica.

Methylglyoxal (MG) is a dicarbonyl compound, formed from exogenous and endogenous sources. The formation rate of compound depends on metabolism and cell type and physiological conditions, which the glycolytic pathway represents the most important endogenous production source. Elevated blood glucose levels are related to MG accumulation in plasma and cerebrospinal fluid (CSF) diabetes mellitus and Alzheimer’s disease (AD). The high reactivity of MG leads to modification of proteins and other biomolecules, generating advanced glycation end products (AGEs) appointed as mediators in these neurodegenerative diseases. In addition to protein glycation, other effects resulting from high levels of MG in the central nervous system (CNS) may involve the direct modulation of GABAergic and glutamatergic neurotransmission, with evidence suggesting that the effects of MG may be related to behavioral changes and glial dysfunction. In the CNS, astrocytes are more susceptible to damage of dicarbonyl stress, although they have an improved glyoxalase system when compared to neurons, suggesting an increased neuronal functional damage under diabetic complications and neurodegenerative disorders. In view of this, the aim of this study was evaluating the direct influence of high concentration of MG in the CNS. It was evaluated how intracerebroventricular (ICV) administration (3 μmol/μL) cause behavioral changes, as cognitive decline and anxiety as well as biochemical alterations in the hippocampus, serum and CSF. Furthermore, we investigated the blood-brain barrier (BBB) integrity related to astrocytic functions in the hippocampus. MG induced, 12h after injection, a decrease in locomotor activity in the Open field (OF) and anxiolytic effects in rats submitted to elevated plus-maze (EPM). Subsequently, at 36 h after ICV surgery, MG injection also induced cognitive impairment in both short and long-term memory, as evaluated by novel object recognition tasks, and in short-term spatial memory, as evaluated by the Y-maze test. 72h after infusion of MG, hippocampal glutamate uptake decreased and glutamine synthetase activity and glutathione levels diminished. Interestingly, the astrocytic protein, S100B, was increased in the cerebrospinal fluid, accompanied by decreased hippocampal S100B mRNA expression, without any change in protein content and hippocampal contents of RAGE. In addition, we observed a loss of BBB integrity, as assessed by the entry of Evans dye into brain tissue and albumin in the CSF, as well as a decrease of aquaporin-4 and connexin-43 in hippocampal tissue. The mRNA expressions of two important transcription factors of antioxidant response - NfkB and Nrf2, were not changed. However, hemeoxigenase-1 was upregulated in MG-treated group. Taken together, this data corroborates with the idea that astrocytes, the main cells responsible for MG clearance, are targets of MG toxicity and that BBB dysfunction induced by this compound may contribute to behavioral and cognitive alterations observed in these animals. It helps us an improve our understanding of how this product of glucose metabolism can induce the brain dysfunction observed in diabetic patients, as well as in other neurodegenerative conditions, and further defines the role of astrocytes in disease and therapeutics.