Microglia morphology and susceptibility to depression - impact of sex differences

Tese no âmbito do Programa Interuniversitário de Doutoramento em Envelhecimento e Doenças Crónicas apresentada à Faculdade de Medicina da Universidade de CoimbraCurrent lifestyle places individuals under increasingly greater loads of stress. Although the mechanisms that are triggered by stress are primarily adaptive, it is now thoroughly established that exposure to stress and/or to high levels of stress mediators, the glucocorticoids (GCs) during neurodevelopment, can have a long-lasting impact and increase vulnerability for neuropsychiatric disorders later in life, namely anxiety and depression. Microglia, the immune cells of the brain, are proposed to play a significant role in determining the neuronal and the behavioral responses to chronic stress and may contribute to the development of stress-related psychopathologies. Interestingly, previous work from our team has shown that in utero exposure to high levels of the synthetic GC dexamethasone (iuDEX model) induces long-lasting differences in microglia morphology and leads to an anxious phenotype later in life. However, it is still unclear if/how stress in adulthood differentially affects iuDEX males and females. In this work, we firstly evaluated the effect of short- and long-term (2 and 6 weeks) unpredictable chronic mild stress (uCMS), per se, in microglia and neurons morphology of two key brain regions implicated in mood disorders - dorsal hippocampus (dHIP) and nucleus accumbens (NAc)-, as well as, in anxiety- and depressive-related behaviors. Then, we used the iuDEX model, a prenatal model of stress, to investigated how these animals, that already faced with stress during neurodevelopment, cope with uCMS at adulthood. Lastly, and considering the anxiolytic effect of A2AR in males (recover of the anxiety-like behavior and atrophy of microglia), we explore the ability of A2AR antagonist to ameliorate iuDEX-induced anhedonia and cognitive deficits and iuDEX-induced microglia morphological changes (at dHIP and NAc) in females. First, we reported that the long uCMS protocol induced more behavioral alterations in males, which presented anxiety and depressive-like behavior, while females solely presented anxious-like behavior. In parallel to these behavioral alterations, uCMS causes contrasting patterns of morphologic remodeling in microglia and neurons of the dHIP and NAc, at both sexes. In the dHIP, only long uCMS induced a hypertrophy of microglia cells in females, with no effects in males. In the NAc, microglia cells undergo a dual process of morphological adaptation to short uCMS, dependent on sex: we observed hypertrophy in males and atrophy in females, an effect that does not persist in the long uCMS group. Interestingly, males were more vulnerable to neuronal morphological alterations, that occurs in a region-specific manner: dendritic atrophy in granule neurons of the dHIP and hypertrophy in the medium spiny neurons of the NAc, a cellular effect that occurs concomitantly with a more pronounced behavioral phenotype. Conversely, females did not present changes in neuronal morphology. Second, we showed that both sexes prenatally exposed to DEX present anxiety- and anhedonia-like behavior and had better performance in the anxiety and depression-related behavioral tests after uCMS exposure in adulthood. Interestingly, iuDEX animals presented sex-dependent changes in microglia and neuronal morphology in the NAc (atrophy in females, hypertrophy in males). After chronic stress, these cells undergo sex-specific morphological remodeling. Third, we showed that the chronic blockade of A2AR, which are core regulators of microglia morphology and physiology, ameliorated the cognitive deficits and anhedonia of iuDEX female animals, with no effect in anxiety. Notably, A2AR blockade was able to rectify the hypertrophy of microglial cells in the dHIP but not the atrophy in NAc of iuDEX females. Our results indicate that chronic stress in adulthood and prenatal stress (iuDEX) can cause sex-dependent contrasting patterns of morphologic remodeling in microglia and neurons of the dHIP and NAc. These findings raise the possibility that, by differentially affecting neurons and microglia, in dHIP and NAc, stress may contribute for the appearance of emotional disorders and partially explain sex-specific vulnerabilities. Moreover, our work shows that stressful events during pregnancy can exert a sex-specific effect in stress coping strategies in adulthood. Taking advantage of the therapeutic potential of drugs that regulate microglia, we showed that the blockade of A2AR ameliorated the cognitive deficits and anhedonia induced by iuDEX, but not the anxiety-like behavior in females. Although the role of these cellular remodeling is still unknown, sex-specific differences in microglia and neuronal plasticity induced by stress may anticipate differences in drug efficacy in the context of stress-related behaviors and can elucidate possible cellular substrates for mood disorders triggered by chronic stress.O estilo de vida atual coloca os indivíduos sob intensidades cada vez maiores de stress. Apesar de os mecanismos desencadeados pelo stress serem principalmente adaptativos, sabe-se atualmente que a exposição ao stress e/ou a altos níveis de mediadores de stress, a glucocorticoides (GCs) durante o neurodesenvolvimento, pode ter um impacto a longo prazo e aumentar a vulnerabilidade para doenças neuropsiquiátricas mais tarde na vida, nomeadamente ansiedade e depressão. A microglia, células imunes do cérebro, desempenham um papel significativo na determinação das respostas neuronais e comportamentais ao stress crónico e podem contribuir para o desenvolvimento de psicopatologias relacionadas com o stress. Trabalhos realizado anteriormente pelo nosso grupo demonstraram que a exposição in utero a níveis elevados de um GC sintético, a dexametasona (iuDEX), induz alterações na morfologia da microglia e um fenótipo do tipo ansioso mais tarde na vida. No entanto, ainda não está claro se/como o stress afeta diferencialmente os machos e as fêmeas iuDEX. Neste trabalho, primeiro avaliámos o efeito do stress crónico imprevisível (uCMS) por si só, após um protocolo de curta e de longa duração (2 e 6 semanas), na morfologia da microglia e dos neurónios em duas regiões chave do cérebro implicadas em doenças neuropsiquiátricas - hipocampo dorsal (dHIP) e núcleo accumbens (NAc) - bem como em comportamentos relacionados com a ansiedade e depressão. Além disso, utilizámos um modelo iuDEX, um modelo de exposição prenatal ao stress, para investigar como é que esses animais, que já tinham sido expostos a stress durante o neurodesenvolvimento, lidam com uma exposição ao uCMS na idade adulta. Por último, considerando o efeito ansiolítico de um antagonista dos recetores A2A (A2AR) em machos (reverte o comportamento do tipo ansioso e a atrofia da microglia), nós explorámos a capacidade do antagonista dos A2AR melhorar a anedonia e os défices cognitivoso induzidos pela iuDEX, bem como as alterações morfológicas da microglia em fêmeas (no dHIP e no NAc) em fêmeas. Primeiro, mostrámos que o uCMS de longa duração induziu mais alterações comportamentais nos machos, que apresentaram comportamentos do tipo ansioso e depressivo, enquanto as fêmeas apenas apresentaram um comportamento do tipo ansioso. Em paralelo a essas alterações comportamentais o uCMS induziu padrões diferenciais de remodelação da morfologia da microglia e dos neurónios do dHIP e NAc, em ambos os sexos. No dHIP, apenas o uCMS de longa duração induziu uma hipertrofia das células da microglia em fêmeas, sem efeitos nos machos. No NAc, as células da microglia sofrem um processo de adaptação morfológica ao uCMS de curta duração, dependente do sexo: observámos uma hipertrofia nos machos e uma atrofia nas fêmeas, um efeito que não persiste no grupo do uCMS de longa duração. Curiosamente, os machos foram mais vulneráveis a alterações morfológicas neuronais de uma maneira específica de região: atrofia dendrítica nos neurónios granulares do dHIP e hipertrofia dos neurónios espinhosos médios do NAc, um efeito que ocorre em paralelo com um fenótipo de comportamento mais pronunciado nos machos. As fêmeas não apresentaram alterações na morfologia dos neurónios. Em segundo, mostrámos que ambos os sexos expostos prenatalmente a DEX apresentaram um comportamento do tipo ansioso e anedónico e apresentaram um melhor desempenho em testes comportamentais relacionados com a ansiedade e a depressão após exposição crónica ao stress na idade adulta em comparação com os animais não expostos ao stress. Curiosamente, os animais iuDEX apresentaram alterações inter-regionais dependentes do sexo na morfologia da microglia e dos neurónios no dHIP e no NAc (atrofia nas fêmeas e hipertrofia nos machos). Após o uCMS, essas células sofreram remodelação morfológica específica do sexo. Em terceiro, mostrámos que o bloqueio crónico dos A2AR, que são os principais reguladores da morfologia e fisiologia da microglia, melhorou os défices cognitivos e a anedonia de fêmeas iuDEX, sem efeito na ansiedade. De salientar, o bloqueio dos A2AR foi capaz de retificar a hipertrofia da microglia no dHIP, mas não a atrofia no NAc de fêmeas iuDEX. Os nossos resultados indicam que o stress crónico na idade adulta e a iuDEX podem causar padrões contrastantes dependentes do sexo, de remodelação morfológica da microglia e neurónios do dHIP e NAc. Estes resultados levantam a possibilidade de que, ao afetar diferencialmente os neurónios e a microglia no dHIP e NAc, o stress pode contribuir para o aparecimento de distúrbios emocionais, e explicar parcialmente as vulnerabilidades específicas do sexo. Além disso, o nosso trabalho mostra que o stress durante a gravidez pode exercer um efeito específico do sexo nas estratégias para lidar com o stress na vida adulta. Aproveitando o potencial terapêutico dos fármacos reguladores da microglia, mostrámos que o bloqueio dos A2AR melhorou os défices cognitivos e a anedonia induzidos pela iuDEX, mas não o comportamento ansioso nas fêmeas. De salientar, o bloqueio dos A2AR foi capaz de retificar a hiper-ramificação da microglia no dHIP, mas não a atrofia no NAc. Embora o papel da remodelação celular observada ainda seja desconhecido, diferenças específicas do sexo na microglia e na plasticidade neuronal induzida pela exposição ao stress podem antecipar diferenças na eficácia de fármacos no contexto de comportamentos relacionados com a ansiedade ou com a depressão induzidos pelo stress, e podem elucidar possíveis substratos celulares para transtornos do humor desencadeados pelo stress crónico