Chronic overexpression of tumor necrosis factor alpha in the substantia nigra elicits progressive neurodegeneration and motor symptoms

La neuroinflamación es considerada una característica neuropatológica de la enfermedad de Parkinson. Se ha observado activación de microglía y niveles elevados de citoquinas pro-inflamatorias, entre las que se encuentra el factor de necrosis tumoral alfa (TNF-α), en la substantia nigra, una de las principales regiones del cerebro afectadas en esta enfermedad. Sin embargo, el rol funcional de la activación microglial y la sobre-expresión de TNF-α no es claro en la enfermedad de Parkinson. El objetivo de este trabajo fue determinar los efectos de la sobre-expresión crónica de TNF-α en la substantia nigra, e identificar moléculas candidatas a mediar ese efecto. Para ello, se inyectó en la substantia nigra de ratas adultas un adenovector que expresa TNF-α (AdTNFα), pudiendo detectarse la citoquina recombinante hasta 14 días p.i. La expresión crónica de TNF-α indujo una pérdida progresiva de neuronas en la substantia nigra, que comenzó el día 14 y se acentuó a los 21 y 28 días p.i., comparado con animales controles inyectados con un adenovector que expresa β- galactosidasa (Adβgal). La sobre-expresión de TNF-α produjo la aparición de síntomas motores a los 14 días p.i.; y la activación de la microglía y/o reclutamiento de macrófagos de la periferia desde el día 7 luego de la inoculación. No se pudo detectar inducción de IL-1β ni evidencias de apoptosis. En cambio, se observó un aumento en los niveles de ciclooxigenasa tipo 2 (COX-2) y en la actividad de la óxido nítrico sintasa (NOS) en los animales que sobre-expresan TNF-α, por lo que dichas moléculas podrían estar participando de la muerte neuronal inducida por la citoquina. Por otro lado, se llevó a cabo un estudio de los genes regulados por TNF-α utilizando la técnica de microarrays. Entre los genes que se encontraron diferencialmente expresados entre los animales tratados con AdTNFα y Adβgal, estaban significativamente representados procesos relacionados con la respuesta inmune y el metabolismo. Se validó por RT- PCR en tiempo real la expresión disminuida de la proteína quinasa C tipo delta (nPKC- delta) y el regulador de la señalización por proteína G 3 (RGS3) en los animales que sobre-expresan TNF-α con respecto a los controles. En conclusión, podemos decir que la expresión prolongada de niveles pro- inflamatorios de TNF-α es suficiente para producir un efecto tóxico en las neuronas de la substantia nigra, con la aparición de síntomas motores y una respuesta glial característica. Los niveles y la duración de la expresión de esta citoquina son variables importantes para que ejerza un efecto neurodegenerativo. Se generó un modelo animal que permite estudiar los mediadores del efecto tóxico de TNF-α como lo demuestran los resultados de genómica funcional, sentando las bases para estudios futuros que puedan identificar blancos para una posible terapia contra la enfermedad de Parkinson.Neuroinflammation is regarded as a neuropathological characteristic of Parkinson’s disease. Microglia activation and high levels of pro-inflammatory cytokines, such as tumor necrosis factor alpha (TNF-α), have been reported in the substantia nigra, one of the main brain regions affected in this disease. The aim of this study was to determine the effects of the chronic overexpression of TNF-α in the substantia nigra, and to identify candidates to mediate that effect. To achieve this, an adenovector expressing TNF-α (AdTNFα) was injected in the substantia nigra of adult rats. We have been able to detect the recombinant protein until 14 days p.i. The chronic expression of TNF-α induced a progressive loss of neurons in the substantia nigra, which started 14 days p.i. and was more evident at 21 and 28 days p.i., compared to control animals injected with an adenovector expressing β-galactosidase (Adβgal). Chronic overexpression of TNF-α caused motor symptoms, appearing at 14 days p.i.; and activation of microglia and/or recruitment of macrophages form the periphery from day 7 after adenoviral inoculation. We could not detect induction of IL-1β expression, or evidences of apoptosis. On the other hand, we could observe increased levels of cyclooxygenase type-2 (COX-2) and increased activity of nitric oxide synthase (NOS) in animals overexpressing TNF-α, which suggests that these molecules could participate in the neuronal death induced by the cytokine. On the other hand, we studied the genes regulated by TNF-α using microarrays technology. We found that processes related to immune response and metabolism were significantly represented among de genes differentially expressed in AdTNFα and Adβgal injected animals. Using real time RT-PCR, we validated the downregulation of protein kinase C delta type (nPKC-delta) and regulator of G-protein signaling 3 (RGS3) in animals over-expressing TNF-α, compared to controls. Thus, we conclude that long-lasting expression of pro-inflammatory levels of TNF-α is sufficient to produce a toxic effect on neurons in the substantia nigra, as well as motor symptoms and a characteristic glial response. Levels and duration of TNF-α expression are important variables to establish its neurodegenerative effect. This study provides an animal model to study the mediators of the toxic effect of TNF-α as shown by the results of functional genomics, laying the foundations for future studies with the final objective of identifying possible therapeutic targets for Parkinson’s disease.Fil:De Lella Ezcurra, Ana Laura. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina