Hiperglicemia e a predisposição ao desenvolvimento das doenças neurodegenerativas: papel da readaptação metabólica

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro de Ciências Biológicas, Programa de Pós-Graduação em Neurociências, Florianópolis, 2014.A hiperglicemia crônica característica do Diabetes Mellitus (DM) predispõe ao desenvolvimento de vasculopatias, tanto em tecidos periféricos - cuja fisiopatologia encontra-se parcialmente elucidada - quanto no sistema nervoso central (SNC) Â onde ainda esta é menos entendida. Neste contexto, estudos vem sugerindo que a hiperglicemia persistente predispõe e favorece à progressão de processos neurodegenerativos. Assim, este trabalho teve por objetivo avaliar a predisposição ao desenvolvimento de doenças neurodegenerativas e/ou neurológicas, em particular a Doença de Parkinson (DP), durante o estado hiperglicêmico crônico. A condição experimental de hiperglicemia crônica foi induzida pela administração de uma única dose de estreptozotocina (STZ; 55 mg/kg; intraperitonealmente) em ratos Wistar adultos onde foram investigados parâmetros de bioenergética, estresse oxidativo, neurotoxicidade e comportamentais após 10 e/ou 60 dias de tratamento (Grupo STZ). Com o intuito de normalizar a glicemia, alguns animais receberam insulina subcutaneamente (1,5 UI de Novolin®N humana; Novo Nordisk Laboratories; duas vezes ao dia; Grupo STZ+INS). Foi observado que a hiperglicemia crônica causou uma desregulação bioenergética tanto central quanto periférica, caracterizada pela inibição da atividade dos complexos I, II e IV da cadeia respiratória e aumento na atividade da creatinaquinase (CK), total e mitocondrial, em animais que permaneceram hiperglicêmicos por 60 dias. Além disso, esta condição metabólica provocou estresse oxidativo observado pela diminuição significativa nas concentrações de grupamentos tiólicos, aumento na peroxidação lipídica no plasma e ainda diminuição da molécula antioxidante BH4 no líquor destes animais. A persistente hiperglicemia também induziu apoptose e o acúmulo de proteínas oxidadas (AGEs) pelo aldeído reativo metilglioxal (MG) - composto formado durante condições de hiperglicemia, sendo considerado o principal formador de AGEs - em córtex cerebral de animais hiperglicêmicos. Além disso, estas alterações metabólicas ocorreram juntamente com alterações epigenéticas caracterizadas por mudanças nos padrões de metilação do DNA e concomitantemente com déficit cognitivo, evidenciado principalmente por prejuízos na consolidação da memória de curto e longo prazo. Ainda, a normalização das concentrações de glicose através da administração de insulina preveniu as alterações metabólicas, epigenéticas e comportamentais observadas nos animais hiperglicêmicos. No que se refere ao efeito específico do MG, foi observado um aumento significativo no consumo de oxigênio no estado IV de respiração mitocondrial e um marcado aumento na produção de espécies reativas de oxigênio (EROs) extramitocondrial em células precursoras de hipocampo (H19-7), indicando que este composto pode estar relacionado com as alterações encontradas no modelo animal. Por outro lado, as adaptações no metabolismo energético observadas no modelo animal de hiperglicemia, também foram observadas em amostras de indivíduos afetados por DM do tipo 1 e por DP. Ainda, nestes pacientes também foi observado um marcado aumento nas concentrações de neopterina plasmática, parâmetro que indica de forma sensível a ativação do sistema imunológico. Por fim, este estudo também focou no efeito da modulação da via metabólica da BH4 como ferramenta para reduzir a hipersensibilidade à nocicepção, em um modelo animal de dor neuropática, onde foi observado que a inibição da enzima que participa da síntese da BH4, a sepiapterina redutase (SR), induz analgesia. Em conclusão, pode-se propor que os oxidantes MG e/ou AGEs formados durante a hiperglicemia crônica decorrente do DM estariam envolvidos nas alterações bioquímicas e moleculares observadas nas células do SNC e predispondo ao comprometimento cognitivo observado neste estudo, proporcionando um cenário propício para a instalação e o desenvolvimento de doenças neurodegenerativas e/ou neurológicas, em particular a DP, e/ou predispor a nocicepção.Abstract : Chronic hyperglycemia characteristic of Diabetes Mellitus (DM) predisposes to the development of vasculopathies, both in peripheral tissues, where the pathophysiology is partially elucidated, and also in the central nervous system (CNS), where it is even less understood. In this context, studies have suggested that the persistent hyperglycemia predisposes and promotes the progression of neurodegenerative processes. This study aimed to evaluate the predisposition to the development of neurodegenerative and/or neurological diseases, in particular Parkinson's disease (PD) during the chronic hyperglycemic state characteristic of DM. Chronic hyperglycemia was induced by the administration of a single dose of streptozotocin (STZ; 55 mg/kg, intraperitoneally) in adult rats, and parameters of bioenergetics, oxidative stress, neurotoxicity, epigenetics and behavior were investigated after 10 and/or 60 days of persistent hyperglycemia (STZ group). Some animals received insulin subcutaneously (1.5 IU of human Novolin®N, Novo Nordisk Laboratories; twice daily, STZ + INS Group) in order to normalize the glycemia. It was observed that chronic hyperglycemia (STZ Group) caused a marked bioenergetic impairment in the central nervous system (CNS), as well as in peripheral tissues, characterized by inhibition of the activities of complexes I, II and IV of the respiratory chain and by an increase in the activity of total and mitochondrial creatine kinase (CK). Furthermore, this metabolic condition elicited oxidative stress observed by a significant decrease in the plasma thiol groups levels, an increase in plasma lipid peroxidation and also a reduction of BH4 levels in cerebrospinal fluid. Persistent hyperglycemia also induced apoptosis and the accumulation of oxidized proteins (AGEs) by the reactive aldehyde methylglyoxal (MG) - compound formed during hyperglycemic conditions and the main generator of AGEs - in cerebral cortex of hyperglycemic animals. In addition, these metabolic changes occurred in parallel with epigenetic alterations and cognitive impairment, characterized by changes in the patter of DNA methylation and by compromised consolidation of shortand long-term memories. Moreover, these changes were prevented by the administration of INS. Regarding to the specific effect of MG, it was observed a significant increase in oxygen consumption in the state IV of mitochondrial respiration and also a marked increase in reactive oxygen species (ROS) production in the H19-7 cell line. Moreover, the metabolic adaptations observed in the animal model of hyperglycemia were also confirmed in samples derived from individuals affected with type 1 DM and/or PD. Additionally, it was also observed a significant increase in plasma neopterin levels, a parameter which indicates activation of the immune system. Finally, this study also focused on the effect of modulating BH4 metabolic pathway as a tool to reduce the perception of pain hypersensitivity in an animal model of neuropathic pain. Here, it was observed that the inhibition of sepiapterin reductase (SR), induces analgesia. In conclusion, it can be proposed that the oxidizing MG and/or AGEs formed during chronic hyperglycemia resulting from the DM would be involved in the biochemical changes observed in the CNS cells and predispose to the cognitive impairment observed in this study, providing a suitable scenario for the installation and development of neurodegenerative and/or neurological diseases, in particular PD and/or predispose to nociception