Mecanismos moleculares envolvidos no efeito anti-inflamatório da cafeína

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro de Desportos, Programa de Pós-Graduação em Educação Física, Florianópolis, 2021.A cafeína é um estimulante amplamente utilizado pelas suas propriedades ergogênicas. A ação farmacológica da cafeína, consiste no antagonismo dos receptores adenosinérgicos A1 e A2A. O antagonismo desses receptores promove efeitos no sistema nervoso central (SNC) e no sistema nervoso periférico que reduzem a dor, a percepção de esforço, e aumentam o recrutamento motor. Os receptores adenosinérgicos tem sido proposto como mecanismo, pelo qual a cafeína exerce seu efeito ergogênico e anti-inflamatório. O perfil plasmático de citocinas tem sido empregado por vários grupos de pesquisa como biomarcadores de recuperação ao exercício. Alguns estudos acerca do efeito anti-inflamatório da cafeína, tem foco em modelo in vitro. No entanto, modelos in vivo têm sido negligenciados. Considerando que os mecanismos pela qual a cafeína exerce sua atividade protetora neuromuscular são pouco explorados, bem como, que a idade e o momento da administração da cafeína podem impactar no seu efeito ergogênico. O objetivo deste estudo, foi investigar o efeito citoprotetor e anti-inflamatório da cafeína. Assim como, também avaliar o efeito ergogênico da cafeína em camundongos C57BL/6, machos entre 3 e 7 meses de idade, submetidos a um teste de esforço físico máximo após 30 min da administração da cafeína (6 mg/kg; intraperitoneal). Os animais que receberam cafeína atingiram velocidades mais altas e permaneceram mais tempo no desafio da esteira, quando comparados com os animais que receberam o veículo. Posteriormente, para determinar se a administração da cafeína em 30 min estava no pico no momento do teste, investigamos a farmacocinética da cafeína em camundongos C57BL/6, machos com 3 meses de idade, no estado de repouso e em outro grupo de animais após terem sido submetidos a 30 min na esteira rolante. Este desenho experimental teve a finalidade de ativar o sistema nervoso simpático. Assim, demonstramos que em ambos os grupos o pico plasmático da cafeína, nas regiões encefálicas (estriado, córtex pré-frontal e hipocampo) e músculos esqueléticos (quadríceps e tibial anterior) foi de 15 min. Demonstramos, ainda, que a distribuição da cafeína nos tecidos difere significativamente. Nos camundongos submetidos a atividade física a concentração da cafeína calculada em pmol/mg de tecido foi: córtex pré-frontal=2179; hipocampo=485; estriado=282; quadríceps=756 e tibial anterior=264; revelando uma concentração da cafeína quase 8 vezes maior no córtex pré-frontal em relação ao estriado e cerca de 3 vezes maior no quadríceps em relação ao tibial anterior. Prosseguindo, com o intuito de verificar o efeito citoprotetor e anti-inflamatório da cafeína, utilizamos um modelo de inflamação em camundongos suíços, machos com 3 meses de idade que foram divididos em 4 grupos. Cada grupo recebeu uma dose intraperitoneal de salina ou cafeína (6 mg/kg) e 15 min após receberam salina ou lipopolissacarídeo bacteriano (LPS; 0,33 mg/kg). A seguir a expressão de genes relacionados com a resposta inflamatória, os receptores adenosinérgicos, biogênese mitocondrial e metabolismo muscular foram avaliados no quadríceps 24 h após a indução de inflamação. Observou-se que a expressão do gene Il1-ß aumentou nos animais tratados com LPS, revelando um estado inflamatório e que a cafeína apresentou uma resposta anti-inflamatória caracterizada pelo aumento da expressão dos genes de Il-13. A cafeína, também inibiu a expressão dos genes ASC1 e caspases-1, principais componentes do inflamassoma. Ainda, a cafeína modulou, positivamente, a expressão do gene do receptor de adenosina Adora2. Quando avaliado os genes relacionados a biogênese mitocondrial (Pgc-1a e Ampk), a administração de LPS e de cafeína, separadamente, reduziram a expressão genica de Pgc-1a, efeito que foi potenciado no tratamento em conjunto (LPS + cafeína). Em relação a Ampk, o tratamento com LPS promoveu a expressão do gene Ampk, que foi prevenido pelo pré-tratamento com cafeína. Em conclusão, nossos resultados sugerem que o efeito ergogênico da cafeína, uma única dose, ocorre independentemente da idade. Ao utilizar a cafeína, devemos dar atenção ao seu pico de ação. Sugerimos que a cafeína melhorou o desempenho, possivelmente, por ativar o SNC via antagonismo do receptor A2A. Ainda, indicamos que o pré-tratamento, com uma dose única de cafeína, pode apresentar uma ação protetora muscular, modulando a resposta inflamatória muscular.Abstract: Caffeine is a widely used stimulant for its ergogenic properties. The pharmacological action of caffeine consists in the antagonism of adenosinergic A1 and A2A receptors. The antagonism of these receptors promotes effects on the central nervous system (CNS) and on the peripheral nervous system that reduce pain, exertion perception, and increase motor recruitment. Adenosinergic receptors have been proposed as a mechanism by which caffeine exerts its ergogenic and anti-inflammatory effect. The plasma cytokine profile has been used by several research groups as exercise recovery biomarkers. Some studies on the anti-inflammatory effect of caffeine focus on an in vitro model. However, in vivo models have been neglected. Considering that the mechanisms by which caffeine exerts its neuromuscular protective activity are poorly explored, as well as that age and timing of caffeine administration may impact its ergogenic effect. The aim of this study was to investigate the cytoprotective and anti-inflammatory effect of caffeine. As well as evaluating the ergogenic effect of caffeine in C57BL/6 mice, males between 3 and 7 months of age, submitted to a maximum physical exertion test 30 min after caffeine administration (6 mg/kg; intraperitoneal). Animals that received caffeine achieved higher speeds and stayed longer on the treadmill challenge when compared to animals that received the vehicle. Subsequently, to determine whether caffeine administration within 30 min was at its peak at the time of testing, we investigated the pharmacokinetics of caffeine in 3-month-old male C57BL/6 mice in the resting state and in another group of animals after having been subjected to 30 min on the treadmill. This experimental design was intended to activate the sympathetic nervous system. Thus, we demonstrate that in both groups the plasma caffeine peak, in the brain regions (striatum, prefrontal cortex and hippocampus) and skeletal muscles (quadriceps and tibialis anterior) was 15 min. We also demonstrate that the distribution of caffeine in tissues differs significantly. In mice submitted to physical activity, the caffeine concentration calculated in pmol/mg tissue was: prefrontal cortex=2179; hippocampus=485; striated=282; quadriceps=756 and tibialis anterior=264; revealing a concentration of caffeine almost 8 times higher in the prefrontal cortex compared to the striatum and about 3 times higher in the quadriceps compared to the tibialis anterior. Continuing, in order to verify the cytoprotective and anti-inflammatory effect of caffeine, we used a model of inflammation in Swiss mice, 3-month-old males that were divided into 4 groups. Each group received an intraperitoneal dose of saline or caffeine (6 mg/kg) and 15 min later received saline or bacterial lipopolysaccharide (LPS; 0.33 mg/kg). Next, the expression of genes related to the inflammatory response, adenosinergic receptors, mitochondrial biogenesis and muscle metabolism were evaluated in the quadriceps 24 h after inflammation induction. It was observed that the expression of the Il1-ß gene increased in animals treated with LPS, revealing an inflammatory state and that caffeine presented an anti-inflammatory response characterized by increased expression of the Il-13 genes. Caffeine also inhibited the expression of ASC1 and caspases-1 genes, the main components of the inflammasome. In addition, caffeine positively modulated the expression of the Adora2 adenosine receptor gene. When the genes related to mitochondrial biogenesis (Pgc-1a and Ampk) were evaluated, the administration of LPS and caffeine, separately, reduced the gene expression of Pgc-1a, an effect that was enhanced in the combined treatment (LPS + caffeine). Regarding Ampk, LPS treatment promoted the expression of the Ampk gene, which was prevented by pretreatment with caffeine. In conclusion, our results suggest that the ergogenic effect of caffeine, a single dose, occurs regardless of age. When using caffeine, we must pay attention to its peak of action. We suggest that caffeine improved performance, possibly by activating the CNS via A2A receptor antagonism. Furthermore, we indicate that pretreatment, with a single dose of caffeine, may have a muscle protective action, modulating the muscle inflammatory response