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Publicação
Characterization of BDNF signalling in the neonatal phencyclidine mouse model of schizophrenia
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Resumo(s)
Schizophrenia is a neuropsychiatric disorder increasingly viewed as a neurodevelopmental pathology that affects individuals of both sexes. It is characterized by positive and negative symptoms, as well as cognitive dysfunction. However, current therapeutic strategies are mainly focused on antipsychotic drugs (APDs), which have very limited efficacy treating the cognitive impairments. Although the pathological mechanisms leading to schizophrenia remain unclear, N-methyl-D-aspartate receptor (NMDA-R) hypofunction is thought to be involved. Furthermore, deregulation of brain-derived neurotrophic factor (BDNF) signalling pathways has also been implicated. BDNF is a neurotrophin which mediates actions by binding to the full-length tyrosine kinase receptor B (TrkB-FL). Neonatal administration of phencyclidine (PCP) to rodents has been reported to induce lasting cognitive deficits, accounting for the developmental aspect of schizophrenia. Therefore, the present thesis sought to characterize the long-term cognitive effects induced by administration of PCP to neonatal mice and evaluate BDNF-mediated signalling both in the hippocampus and PFC, two highly relevant areas involved in the pathophysiology of this disorder. An additional rationale for this work, since schizophrenia affects both sexes, was to explore the potential differences between male and female animals of this model. Overall, results suggest that the administration of PCP (10 mg/kg subcutaneous) on postnatal days (PNDs) 7, 9, and 11 leads to persistent alterations in recognition memory of male and female C57BL/6 mice. Additionally, results concerning male PCP-treated mice indicate spatial memory deficits and a tendency to be less sociable. Moreover, data shows increased expression levels of the truncated isoforms of the TrkB receptor (TrkB-TC) in the PFC of PCP animals of both sexes. Hence, the main findings of this thesis support the translational value of the neonatal PCP mouse model, providing new insights of the pathophysiologic mechanisms underlying cognitive dysfunction in schizophrenia and also unveil certain differences between male and female animals of this model.
A esquizofrenia é uma doença psiquiátrica caracterizada por um amplo espectro de sintomas que podem ser agrupados em três classes: sintomas positivos, sintomas negativos e défices cognitivos. A disfunção cognitiva é geralmente persistente ao longo da doença e pode ter um grande impacto na qualidade de vida dos doentes. Estudos anteriores reportam que os défices cognitivos associados à esquizofrenia podem afetar várias regiões cerebrais, sobretudo o córtex pré-frontal (prefrontal cortex - PFC), que constitui uma área responsável pela integração de dados sensoriais, motores e afetivos, bem como o hipocampo, que desempenha um papel fulcral na formação e consolidação de memória. Esta doença afeta indivíduos do sexo masculino e feminino, apresentando algumas caraterísticas distintas entre sexos, tais como a idade de manifestação da maioria dos sintomas, que está reportada ser mais precoce nos doentes do sexo masculino, enquanto as mulheres tendem a desenvolver a doença mais tardiamente. O diagnóstico da esquizofrenia é bastante dificultado pela diversidade de sintomas e, atualmente, a maior parte das terapêuticas utilizadas incide sobre fármacos antipsicóticos (antipsychotic drugs – APDs) de primeira e segunda geração. No entanto, estas terapêuticas continuam a ter eficácia muito limitada no que diz respeito ao tratamento dos défices cognitivos associados a esta doença, existindo uma grande necessidade de colmatar esta questão. Embora a fisiopatologia da esquizofrenia não seja ainda totalmente compreendida, uma das hipóteses sugeridas para a origem da esquizofrenia está relacionada com o neurodesenvolvimento. A fase neonatal constitui um período crítico durante o qual o cérebro se encontra particularmente suscetível. Deste modo, esta hipótese propõe que certos insultos que possam levar à interrupção do normal processo de neurodesenvolvimento, em combinação com outros fatores, podem mais tarde vir a resultar no desenvolvimento de esquizofrenia, sendo que a principal sintomatologia da doença apenas se torna expressiva perto do fim da adolescência / início da idade adulta. A hipofunção dos recetores glutamatérgicos N-metil-D-aspartato (NMDA-R) e consequente disfunção da sinalização mediada pelo fator neurotrófico derivado do cérebro (Brain-derived neurotrophic factor - BDNF) são também apontadas como causas plausíveis de desencadear esta doença. O BDNF é um fator neurotrófico amplamente distribuído no cérebro que medeia a sua ação por meio da ativação da isoforma completa (full lenght - FL) do seu recetor TrkB (TrkB-FL) e desempenha um papel crucial na regulação de múltiplas funções no sistema nervoso central incluindo sobrevivência, proliferação, migração e diferenciação neuronal, crescimento axonal e dendrítico, bem como regulação da transmissão e plasticidade sináptica. O BDNF tem também a capacidade de se ligar a recetores TrkB truncados (TrkB-TC) contudo, estes recetores atuam como moduladores negativos dos recetores TrkB-FL uma vez que são incapazes de iniciar as vias de sinalização mediadas pelo BDNF e formam heterodímeros não funcionais com os receptores TrkB-FL. Apesar da informação contraditória que existe relativamente a esta matéria, alguns estudos anteriores revelaram que doentes com esquizofrenia apresentam níveis alterados de BDNF, existindo evidências que apontam para níveis diminuídos deste fator neurotrófico bem como dos receptores TrkB-FL em algumas regiões cerebrais, enquanto outros apontam para a existência de níveis mais elevados. Deste modo, pensa-se que alterações no sistema glutamatérgico e na sinalização mediada pelo BDNF possam levar a perturbações no normal funcionamento cerebral e desencadear os défices cognitivos reportados em doentes que sofrem de esquizofrenia. Estas alterações podem ser mimetizadas em modelos animais através da administração de antagonistas dos NMDA-R, tais como o fármaco fenciclidina (PCP). O modelo animal de esquizofrenia induzido por PCP é um dos modelos mais bem caracterizados e amplamente utilizados no estudo desta doença. Ao longo dos anos, diversos modelos animais de esquizofrenia induzidos com recurso a diferentes dosagens de PCP foram estabelecidos e usados em estudos pré-clínicos. Contudo, a ausência de alterações cognitivas persistentes, a falta de inclusão de animais de ambos os sexos e de modelos que abordem a hipótese da origem desta doença durante a fase de neurodesenvolvimento colocam em causa a sua validade. Por outro lado, estudos recentes revelaram que o modelo de administração de PCP durante o período neonatal pode alterar a função cerebral normal de roedores, causando alterações cognitivas duradouras semelhantes às encontradas em doentes com esquizofrenia. Assim, o trabalho desenvolvido nesta tese teve como principal objetivo investigar os défices cognitivos persistentes despoletados pela administração de PCP a murganhos durante o período neonatal e caraterizar a sinalização mediada pelo BDNF no hipocampo e PFC, que constituem duas áreas cerebrais de grande relevância no estudo da esquizofrenia. A administração de PCP foi realizada aos 7, 9 e 11 dias do período neonatal em murganhos C57BL/6 do sexo masculino e feminino. Mais tarde, ao atingirem as 15 semanas de idade, todos os animais foram sujeitos a um conjunto de testes de comportamento, nomeadamente um teste em arena aberta (open field test - OFT) focado na avaliação da atividade motora, uma tarefa de reconhecimento de um novo objeto (novel object recognition test - NORT) de forma a testar a memória de reconhecimento, um teste de alternação espontânea num labirinto em Y (Y-maze spontaneous alternation test - YMT) para avaliar a memória de trabalho, um teste no labirinto de Morris (Morris water maze test - MWMT) para avaliar a memória espacial e, por último, um teste de interação social (social interaction test - SIT) entre animais do mesmo sexo e pertencentes ao mesmo grupo experimental. Posteriormente, no período correspondente às 17 semanas de idade, foram retiradas amostras de hipocampo e PFC de forma a permitir a realização de uma análise dos níveis proteicos de BDNF e dos seus respetivos recetores TrkB-FL e TrkB-TC. Adicionalmente, foram exploradas as potenciais diferenças entre os animais do sexo masculino e feminino deste modelo. Os resultados obtidos evidenciam que a administração de PCP na fase neonatal não interfere com o crescimento dos animais, ocorrendo uma normal progressão do seu peso. Mostraram também que o tratamento com PCP nesta fase induziu défices persistentes na memória de reconhecimento de animais de ambos os sexos. Foi ainda demonstrado que este modelo apresenta alterações na memória espacial bem como uma tendência a realizar menor número de interações socias relativamente a animais do sexo masculino. No que diz respeito à análise molecular, os resultados apontaram para a existência de um aumento significativo dos níveis proteicos de TrkB-TC no PFC tanto de machos como de fêmeas tratadas com PCP. Este aumento dos níveis de TrkB-TC no PFC pode potencialmente justificar uma alteração da sinalização mediada pelo BDNF nesta região cerebral que, por sua vez, pode ser um dos fatores geradores dos défices cognitivos apresentados por este modelo. Relativamente ao grupo dos animais PCP macho os resultados sugerem ainda um aumento dos níveis de TrkB-FL no PFC e uma tendência para níveis diminuídos dos recetores TrkB- TC no hipocampo. Por último, não foram encontradas alterações significativas relativamente aos níveis de BDNF tanto no hipocampo como no PFC de animais tratados com PCP. Contudo, os resultados da análise sugerem uma tendência dos animais PCP macho a apresentar níveis aumentados de BDNF no hipocampo. Em conclusão, os resultados relatados nesta tese apresentam evidências que vêm reforçar a utilidade do modelo neonatal induzido por PCP na investigação dos défices cognitivos presentes na esquizofrenia e fornecer novas informações acerca das diferenças entre os animais do sexo masculino e feminino deste modelo. Os resultados permitiram ainda reforçar que a hipofunção dos NMDA-R pode culminar na alteração da sinalização mediada pelo BDNF que, por sua vez, poderá estar associada à disfunção do hipocampo e PFC e consequentes défices cognitivos observados no modelo de PCP neonatal com relevância translacional em doentes com esquizofrenia.
A esquizofrenia é uma doença psiquiátrica caracterizada por um amplo espectro de sintomas que podem ser agrupados em três classes: sintomas positivos, sintomas negativos e défices cognitivos. A disfunção cognitiva é geralmente persistente ao longo da doença e pode ter um grande impacto na qualidade de vida dos doentes. Estudos anteriores reportam que os défices cognitivos associados à esquizofrenia podem afetar várias regiões cerebrais, sobretudo o córtex pré-frontal (prefrontal cortex - PFC), que constitui uma área responsável pela integração de dados sensoriais, motores e afetivos, bem como o hipocampo, que desempenha um papel fulcral na formação e consolidação de memória. Esta doença afeta indivíduos do sexo masculino e feminino, apresentando algumas caraterísticas distintas entre sexos, tais como a idade de manifestação da maioria dos sintomas, que está reportada ser mais precoce nos doentes do sexo masculino, enquanto as mulheres tendem a desenvolver a doença mais tardiamente. O diagnóstico da esquizofrenia é bastante dificultado pela diversidade de sintomas e, atualmente, a maior parte das terapêuticas utilizadas incide sobre fármacos antipsicóticos (antipsychotic drugs – APDs) de primeira e segunda geração. No entanto, estas terapêuticas continuam a ter eficácia muito limitada no que diz respeito ao tratamento dos défices cognitivos associados a esta doença, existindo uma grande necessidade de colmatar esta questão. Embora a fisiopatologia da esquizofrenia não seja ainda totalmente compreendida, uma das hipóteses sugeridas para a origem da esquizofrenia está relacionada com o neurodesenvolvimento. A fase neonatal constitui um período crítico durante o qual o cérebro se encontra particularmente suscetível. Deste modo, esta hipótese propõe que certos insultos que possam levar à interrupção do normal processo de neurodesenvolvimento, em combinação com outros fatores, podem mais tarde vir a resultar no desenvolvimento de esquizofrenia, sendo que a principal sintomatologia da doença apenas se torna expressiva perto do fim da adolescência / início da idade adulta. A hipofunção dos recetores glutamatérgicos N-metil-D-aspartato (NMDA-R) e consequente disfunção da sinalização mediada pelo fator neurotrófico derivado do cérebro (Brain-derived neurotrophic factor - BDNF) são também apontadas como causas plausíveis de desencadear esta doença. O BDNF é um fator neurotrófico amplamente distribuído no cérebro que medeia a sua ação por meio da ativação da isoforma completa (full lenght - FL) do seu recetor TrkB (TrkB-FL) e desempenha um papel crucial na regulação de múltiplas funções no sistema nervoso central incluindo sobrevivência, proliferação, migração e diferenciação neuronal, crescimento axonal e dendrítico, bem como regulação da transmissão e plasticidade sináptica. O BDNF tem também a capacidade de se ligar a recetores TrkB truncados (TrkB-TC) contudo, estes recetores atuam como moduladores negativos dos recetores TrkB-FL uma vez que são incapazes de iniciar as vias de sinalização mediadas pelo BDNF e formam heterodímeros não funcionais com os receptores TrkB-FL. Apesar da informação contraditória que existe relativamente a esta matéria, alguns estudos anteriores revelaram que doentes com esquizofrenia apresentam níveis alterados de BDNF, existindo evidências que apontam para níveis diminuídos deste fator neurotrófico bem como dos receptores TrkB-FL em algumas regiões cerebrais, enquanto outros apontam para a existência de níveis mais elevados. Deste modo, pensa-se que alterações no sistema glutamatérgico e na sinalização mediada pelo BDNF possam levar a perturbações no normal funcionamento cerebral e desencadear os défices cognitivos reportados em doentes que sofrem de esquizofrenia. Estas alterações podem ser mimetizadas em modelos animais através da administração de antagonistas dos NMDA-R, tais como o fármaco fenciclidina (PCP). O modelo animal de esquizofrenia induzido por PCP é um dos modelos mais bem caracterizados e amplamente utilizados no estudo desta doença. Ao longo dos anos, diversos modelos animais de esquizofrenia induzidos com recurso a diferentes dosagens de PCP foram estabelecidos e usados em estudos pré-clínicos. Contudo, a ausência de alterações cognitivas persistentes, a falta de inclusão de animais de ambos os sexos e de modelos que abordem a hipótese da origem desta doença durante a fase de neurodesenvolvimento colocam em causa a sua validade. Por outro lado, estudos recentes revelaram que o modelo de administração de PCP durante o período neonatal pode alterar a função cerebral normal de roedores, causando alterações cognitivas duradouras semelhantes às encontradas em doentes com esquizofrenia. Assim, o trabalho desenvolvido nesta tese teve como principal objetivo investigar os défices cognitivos persistentes despoletados pela administração de PCP a murganhos durante o período neonatal e caraterizar a sinalização mediada pelo BDNF no hipocampo e PFC, que constituem duas áreas cerebrais de grande relevância no estudo da esquizofrenia. A administração de PCP foi realizada aos 7, 9 e 11 dias do período neonatal em murganhos C57BL/6 do sexo masculino e feminino. Mais tarde, ao atingirem as 15 semanas de idade, todos os animais foram sujeitos a um conjunto de testes de comportamento, nomeadamente um teste em arena aberta (open field test - OFT) focado na avaliação da atividade motora, uma tarefa de reconhecimento de um novo objeto (novel object recognition test - NORT) de forma a testar a memória de reconhecimento, um teste de alternação espontânea num labirinto em Y (Y-maze spontaneous alternation test - YMT) para avaliar a memória de trabalho, um teste no labirinto de Morris (Morris water maze test - MWMT) para avaliar a memória espacial e, por último, um teste de interação social (social interaction test - SIT) entre animais do mesmo sexo e pertencentes ao mesmo grupo experimental. Posteriormente, no período correspondente às 17 semanas de idade, foram retiradas amostras de hipocampo e PFC de forma a permitir a realização de uma análise dos níveis proteicos de BDNF e dos seus respetivos recetores TrkB-FL e TrkB-TC. Adicionalmente, foram exploradas as potenciais diferenças entre os animais do sexo masculino e feminino deste modelo. Os resultados obtidos evidenciam que a administração de PCP na fase neonatal não interfere com o crescimento dos animais, ocorrendo uma normal progressão do seu peso. Mostraram também que o tratamento com PCP nesta fase induziu défices persistentes na memória de reconhecimento de animais de ambos os sexos. Foi ainda demonstrado que este modelo apresenta alterações na memória espacial bem como uma tendência a realizar menor número de interações socias relativamente a animais do sexo masculino. No que diz respeito à análise molecular, os resultados apontaram para a existência de um aumento significativo dos níveis proteicos de TrkB-TC no PFC tanto de machos como de fêmeas tratadas com PCP. Este aumento dos níveis de TrkB-TC no PFC pode potencialmente justificar uma alteração da sinalização mediada pelo BDNF nesta região cerebral que, por sua vez, pode ser um dos fatores geradores dos défices cognitivos apresentados por este modelo. Relativamente ao grupo dos animais PCP macho os resultados sugerem ainda um aumento dos níveis de TrkB-FL no PFC e uma tendência para níveis diminuídos dos recetores TrkB- TC no hipocampo. Por último, não foram encontradas alterações significativas relativamente aos níveis de BDNF tanto no hipocampo como no PFC de animais tratados com PCP. Contudo, os resultados da análise sugerem uma tendência dos animais PCP macho a apresentar níveis aumentados de BDNF no hipocampo. Em conclusão, os resultados relatados nesta tese apresentam evidências que vêm reforçar a utilidade do modelo neonatal induzido por PCP na investigação dos défices cognitivos presentes na esquizofrenia e fornecer novas informações acerca das diferenças entre os animais do sexo masculino e feminino deste modelo. Os resultados permitiram ainda reforçar que a hipofunção dos NMDA-R pode culminar na alteração da sinalização mediada pelo BDNF que, por sua vez, poderá estar associada à disfunção do hipocampo e PFC e consequentes défices cognitivos observados no modelo de PCP neonatal com relevância translacional em doentes com esquizofrenia.
Descrição
Palavras-chave
Esquizofrenia Neurodesenvolvimento Brain-derived neurotrophic factor (BDNF) Fenciclidina (PCP) Receptores de N-Metil-D-Aspartato (NMDA-R) Teses de mestrado - 2021