Efeitos da exposição a indutores de crises epilépticas sobre a bioenergética mitocondrial

Abstract

As epilepsias afetam aproximadamente 1% da população mundial, sendo que 80% dos pacientes habitam países subdesenvolvidos ou em desenvolvimento e de 20 a 30% ou não tem acesso ou não respondem aos tratamentos disponíveis. As epilepsias causam grande prejuízo à qualidade de vida dos pacientes pelos sintomas associados e os problemas acometem também familiares e cuidadores visto que essas doenças ainda são muito estigmatizadas. Embora as etiologias das epilepsias sejam conhecidas em sua maioria, algumas causas desconhecidas desencadeiam episódios de crises epilépticas. O metabolismo encefálico de forma geral é investigado para esclarecimento da fisiopatologia de várias doenças neurodegenerativas, mais especificamente a função e/ou disfunção mitocondrial vem tendo muito mais atenção da comunidade científica. A disfunção mitocondrial é apontada como um fator de risco em alguns tipos de epilepsias genéticas, mas em casos de epilepsias adquiridas o seu papel permanece elusivo. Técnicas sofisticadas como a respirometria de alta resolução são empregadas e aprimoradas constantemente para a avaliação da função mitocondrial. Nesse contexto, avaliamos por meio de diferentes estratégias investigativas o efeito de indutores de crises epilépticas em modelos animais (peixe-zebra e camundongos) sobre a função mitocondrial. As questões deste estudo são: i) Os indutores de crises promovem danos mitocôndrias durante e após as crises epilépticas? ii) O pentilenotetrazol possui algum outro efeito sobre mitocôndrias além do estresse oxidativo já demonstrado? Os resultados observados mostram que o efeito agudo de pentilenotetrazol in vitro quando adicionado ao meio contendo células intactas e dissociadas de tecido encefálico de peixe-zebra aumenta a eficiência de acoplamento (p/O2), o que pode indicar uma hidrólise aumentada de ATP neuronal. Também observamos aumento na capacidade de reserva no grupo status epilepticus induzido por ácido caínico in vivo, o que pode estar relacionado à capacidade mitocondrial de responder a um aumento na demanda de energia, especialmente em neurônios. Além disso, buscamos entender o papel das variações da concentração Ca2+ empregando concentrações de 500nm (repouso) e 5μM (ativação) em homogeneizado de tecido encefálico de peixe-zebra adulto. Nós observamos que a bioenergética mitocondrial é prejudicada de forma concentração-dependente, o estado 3, estado 4 e o desacoplamento são diminuídos pela presença de ambas concentrações de Ca2+, corroborando com a diminuição do controle respiratório, indicativo de integridade mitocondrial. No entanto, o entendimento do papel do Ca2+ no metabolismo encefálico e na bioenergética permanece como perspectiva deste trabalho. Após, realizamos o isolamento de mitocôndrias a partir de fígado e encéfalo de camundongos e observamos que as mesmas mitocôndrias são afetadas quando expostas diretamente ao pentilenotetrazol, especificamente o complexo I é inibido, independente de desidrogenases e transporte e por mecanismo diferente a inibição causada por rotenona. Inferimos que as mitocôndrias encefálicas são mais sensíveis ao pentilenotetrazol porque concentrações mais baixas foram capazes de diminuir a atividade do complexo I em comparação com as mitocôndrias hepáticas. Por fim, o presente trabalho traz evidências que sustentam o conceito de que crises epilépticas estão relacionadas com comprometimento de funções mitocondriais, o que de forma translacional pode indicar contribuição da disfunção mitocondrial para a condição clínica de pacientes diagnosticados com epilepsias adquiridas. Isto é, indica-se considerar o dano mitocondrial como parte da fisiopatologia de epilepsias adquiridas. Dessa forma, a prevenção e/ou o reparo do dano mitocondrial podem ser estratégias de prevenção e tratamento adicionados às diretrizes clínicas.

Epilepsies affect approximately 1% of the world population, 80% of the patients live in underdeveloped or developing countries and 20% to 30% either do not have access to or do not respond to available treatments. Epilepsies impair the quality of life of patients due to associated symptoms; the problems also affect family members and caregivers as these diseases are still highly stigmatized. Although the etiologies of epilepsies are mostly known, some unknown causes trigger seizure episodes. Brain metabolism, in general, is investigated to clarify the pathophysiology of several neurodegenerative diseases. More specifically, mitochondrial function and/or dysfunction has been receiving much more attention from the scientific community. Mitochondrial dysfunction is identified as a risk factor in some types of genetic epilepsies, but its role remains elusive in cases of acquired epilepsies. Sophisticated techniques such as high-resolution respirometry are constantly applied and improved to assess mitochondrial function. In this context, we evaluated through different investigative strategies the effect of SE inducers in animal models (zebrafish and mice) on mitochondrial function. The questions of this study are: i) Do seizure inducers promote mitochondrial damage during and after epileptic seizures? ii) Does pentylenetetrazole have any other effects on mitochondria besides the oxidative stress already reported? We observed that the acute exposure to PTZ in vitro in the medium containing intact and dissociated cells from zebrafish brain tissue increases the coupling efficiency (p/O2), which may indicate an increased hydrolysis of neuronal ATP. We also observed an increase in reserve capacity in the SE group induced by kainic acid in vivo, which may be related to the mitochondrial ability to respond to an increase in energy demand, especially neurons. We also sought to understand the role of variations in Ca2+ concentration using concentrations of 500nm (resting) and 5μM (activation) in adult zebrafish brain tissue homogenate. We observed that mitochondrial bioenergetics is concentration-dependently impaired, state 3, state 4 and uncoupled are impaired by the presence of both concentrations of Ca2+, corroborating to the decrease in respiratory control, indicative of mitochondrial integrity. However, the understanding of the role of Ca2+ in brain metabolism and bioenergetics remains a perspective of this work. Afterwards, we performed the isolation of mitochondria from the liver and brain of mice and observed that the same mitochondria are affected when directly exposed to PTZ, specifically complex I is inhibited, independent of dehydrogenases and transport and by a different mechanism of the inhibition caused by rotenone. We imply that brain mitochondria are more sensitive to pentylenetetrazole because lower concentrations were able to impair complex I activity compared to liver mitochondria. Finally, the present work provides evidence that supports the concept that epileptic seizures are related to impairment of mitochondrial functions, which in a translational way may indicate the contribution of mitochondrial dysfunction to the clinical condition of patients diagnosed with acquired epilepsies. In other words, we should consider mitochondrial damage as part of the pathophysiology of acquired epilepsies. Thus, the prevention and/or repair of mitochondrial damage can be prevention and treatment strategies added to clinical guidelines.