Alterations in endothelial and glial cells on the hippocampus of PDAPP mice, transgenic model of Alzheimer’s Disease. Interaction between components of the neurovascular unit

La Enfermedad de Alzheimer es la forma más frecuente de demencia en la adultez. Su prevalencia se encuentra en franco aumento a nivel mundial, y dada la ausencia de un tratamiento eficiente se proyecta como uno de los grandes desafíos en el campo de la salud con injerencia social y económica para las sociedades modernas. Se caracteriza por la presencia de depósitos extracelulares de péptidos amiloides en el parenquima cerebral y agregados intraneuronales de proteína Tau hiperfosforilada. Además, se hace evidente un cuadro de neuroinflamación crónica, desregulación de la autofagia neuronal y daño vascular. En este sentido, el estudio integrado de neuronas, células gliales y vasculares ?constituyentes de la unidad neurovascular- ha cobrado relevancia en los últimos años. En esta Tesis se planteó como principal objetivo estudiar el rol de las células microgliales, astrogliales y endoteliales ?así como la interacción entre ellas- durante la instalación del cuadro neuroinflamatorio en etapas tempranas de la patología. Asimismo, se evaluó en etapas avanzadas si el sistema degradativo por autofagia se encontraba afectado en estas células no-neuronales. Para ello se empleó la cepa de ratones transgénicos PDAPP-J20, modelo animal ampliamente validado en la bibliografía, y modelos in vitro de la patología empleando los tipos celulares mencionados.En etapas tempranas de la enfermedad ?antes de la presencia de depósitos amiloides- los ratones PDAPP-J20 presentan activación en la microglía y astroglia en el hipocampo. Sin embargo, la vasculatura no evidencia alteraciones ni en su morfología ni en su densidad. En etapas avanzadas, en cambio, la vasculatura cerebral presenta signos de atrofia y eventos detectables de daño vascular. Las células de la microglía y astroglía exhiben una evidente hipertrofia de su soma en la cercanía a placas amiloides, lo cual se asocia en parte a la acumulación de proteínas involucradas en el proceso de autofagia. En este sentido, en este trabajo de Tesis aporta evidencia original acerca del flujo autofagico en las células astrogliales en la cercanía de placas amiloides. Las células de la microglía, por su parte, presentan un impedimento en el flujo autofágico durante la estimulación crónica con péptidos amiloides fibrilizados y en el hipocampo de ratones PDAPP-J20.Por otro lado, la comunicación entre células astrogliales y endoteliales se vió afectada por el proceso de envejecimiento en este modelo animal. Los estudios realizados en sistemas in vitro demostraron que las células endoteliales son capaces de responder directamente a péptidos amiloides, pero también indirectamente a través de factores solubles liberados por microglía y astroglía que actuarían a través del receptor de moléculas asociadas al daño RAGE. Finalmente, el análisis por espectrometría de masa de la fracción proteica obtenida a partir de una muestra enriquecida en microvasculatura cerebral evidenció que los sistemas de metabolismo de ARN (principalmente la traducción y el splicing) se encuentran especialmente alterados en células vasculares durante etapas avanzadas de la patología.En su conjunto, estos resultados sugieren que hay claros indicios de instalación de un cuadro neuroinflamatorio en una etapa temprana de la patología, que contribuye a la progresiva disfuncion de la Unidad Neurovascular. En etapas avanzadas, alteraciones en la autofagia astroglial y microglial así como en los sistemas metabólicos básicos de las células endoteliales sugieren un cuadro de pérdida de homeostasis que probablemente promueva la exacerbación del proceso patológico.Alzheimer’s disease (AD) is the most frequent form of dementia in the elderly. Its prevalence is rising worldwide, and the absence of an effective treatment makes it an important economical and social challenge. It is characterized by the presence of extracellular aggregates of amyloid peptides and intracellular accumulation of hyperphosphorilated Tau. There is also an evident context of chronic neuroinflammation, dysregulation of neuronal autophagy and vascular damage. Considering all these hallmarks, there has been a marked interest in the integrated study of neurons, glial and endothelial cells, all of them components of the neurovascular unit. The aim of this Thesis was to study the role of astroglial, microglial and endothelial cells –and the interaction among these cells- during the potential neuroinflammatory context at the early stages of the disease. This Thesis is also focused on the possible alterations of the autophagy process in non-neuronal cells during advanced stages. To achieve these goals, PDAPP-J20 mice were studied as a validated animal model of Alzheimer’s Disease, and in vitro models were used for evaluating potentially involved cellular and molecular pathways. During early stages of the pathology –characterized by the absence of amyloid deposits- PDAPP-J20 mice exhibited morphological signs of astroglial and microglial activation in their hippocampus. However, no alterations were found neither in vascular morphology nor in vascular density. On the other hand, during advanced stages of the neurodegenerative process, hippocampal vasculature showed signs of atrophy and damage. Astroglial and microglial cells surrounding amyloid deposits showed morphological hypertrophied, which was associated with the accumulation of proteins involved in the autophagy process. Specifically, this Thesis contains one of the earliest reports indicating that astroglial cells are able to modulate autophagy in the context of amyloid pathology. Moreover, microglial cells showed an impaired autophagic flux during the chronic stimulation with amyloid fibrils in the hippocampus of PDAPP-J20 mice. On the other hand, communication between glial and endothelial cells was affected during physiological aging in this animal model. Experiments using in vitro systems indicated that endothelial cells can be activated directly by amyloid peptides, but also indirectly by soluble factors released by microlial and astroglial cells. These factors acted through the activation of the receptor for damage-associated molecules, RAGE. Finally, mass spectrometry analysis was performed on the protein fraction obtained from brain samples enriched in cerebral microvasculature. This analysis indicated that RNA metabolism systems (mainly translation and splicing) were specifically altered in vascular cells during advanced stages of the disease. Taken together, these results provide evidence of the early initiation of the neuroinflammatory process by the activation of microglial and astroglial cells in the absence of amyloid deposits. During advanced stages of the pathological process, impaired glial autophagy and alterations of the basic metabolic systems of endothelial cells could be important actors at the loss-of-homeostasis scenario.Fil: Pomilio, Carlos Javier. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Instituto de Biología y Medicina Experimental. Fundación de Instituto de Biología y Medicina Experimental. Instituto de Biología y Medicina Experimental; Argentin