Impact of psychoactive drugs on the blood-brain barrier properties

Abstract

O abuso de drogas é um problema global com extremo impacto na sociedade e na economia dos países afetados, que atinge valores mais elevados todos os anos. Frequentemente, o abuso de drogas está intimamente associado a doenças mentais, o que torna a sua resolução ainda mais desafiante. Estima-se que no ano 2022, 5.5% da população mundial tenha usado drogas psicoativas. A barreira hematoencefálica (BHE) é uma barreira extremamente importante existente entre os capilares sanguíneos e o parênquima cerebral. A BHE tem como funções cruciais assegurar um suporte físico e protetor, nutricional e metabólico na homeostasia do sistema nervoso central. A BHE é constituída por um conjunto vasto de estruturas distintas, incluindo células endoteliais dos capilares sanguíneos, perícitos, lâmina basal, terminações astrocíticas, músculo liso vascular, neurónios e outras células gliais. A BHE possui uma série de outras propriedades únicas, como a presença de junções apertadas, enzimas metabólicos, recetores e transportadores de nutrientes essenciais. A presença da BHE intacta é de extrema importância para a homeostasia cerebral, uma vez que previne a entrada de agentes patogénicos e toxinas, porém também impedindo a entrada de fármacos atuantes no sistema nervoso central. Diversos estudos já descreveram o impacto de várias drogas de abuso nas propriedades da BHE. Alguns casos relatam que várias drogas, como nicotina, álcool, heroína, cocaína, ou metanfetamina têm um efeito heterogéneo e negativo na BHE, potenciando neurotoxicidade, através de neuroinflamação, perturbação do envolvimento astroglial e aumento da permeabilidade a toxinas e infeções virais. Mais especificamente, o álcool é considerado a substância mais abusada, estimando-se cerca de 240 milhões de casos de indivíduos alcoólicos em todo o mundo. O abuso crónico de álcool está muitas vezes associado à presença clínica de várias complicações neurológicas no humano. Entre estas, a mais comum é a encefalopatia de Wernicke, que, num estado de progressão da doença pode evoluir para uma síndrome de Korsakoff, um estado irreversível em que o doente apresenta perda de memória anterógrada. Estas doenças estão, geralmente, associadas a um fornecimento insuficiente de tiamina (vitamina B1) para o cérebro, sendo que os mecanismos patofisiológicos subjacentes da doença no humano são ainda pouco claros. Assim, o primeiro objetivo do trabalho foi esclarecer se o transporte de tiamina entre o sangue e o cérebro se encontra comprometido durante uma exposição crónica ao álcool. O álcool é frequentemente abusado em paralelo com outras drogas. As combinações mais frequentes, se não for considerada a nicotina, são álcool com psicoestimulantes, como cocaína ou metanfetamina. Este tipo de abuso está associado a um risco de saúde mais elevado e a maior mortalidade, devido aos efeitos sinérgicos ou aditivos do seu consumo concomitante. Crê-se que, apenas nos Estados Unidos da América, 1.1% da população enfrenta uma condição em que sofre de um abuso múltiplo de substâncias. Dada a relevância clínica deste problema, é importante averiguar quais os seus efeitos nas propriedades da BHE. Logo, o segundo objetivo do trabalho foi descobrir qual o impacto do abuso combinado de álcool com cocaína, ou álcool com metanfetamina, nalgumas das propriedades mais críticas da BHE. Os psicadélicos são uma classe de drogas que sempre esteve em nosso redor e que nunca passou despercebida devido às suas propriedades extremamente promissoras. Ultimamente, os compostos psicadélicos readquiriram um interesse acrescido em virtude de investigações recentes que desvendaram o seu perfil de segurança elevado e os seus efeitos como antidepressivos, agentes anti-inflamatórios e moduladores sinápticos positivos. No entanto, muito poucos estudos se ocuparam em descrever os seus efeitos em modelos in vitro. Desta forma, o terceiro objetivo do trabalho foi averiguar qual é o impacto da psilocina, um representante dos compostos psicadélicos clássicos, nas propriedades da BHE. Deste modo, recorremos a um modelo in vitro baseado em células endoteliais da BHE, para estudar os objetivos mencionados. Procurou-se simular da melhor forma possível um estado crónico de abuso de drogas, fazendo uma exposição continuada até 72h de tratamento nas células. Para analisar as propriedades da BHE usaram-se várias técnicas exclusivas de modelos in vitro, como ensaios de citotoxicidade, ensaios de translocação com as sondas FD4 ou LY, medidas da resistência elétrica transendotelial, Western Blot, imunofluorescência, e teste para deteção de espécies reativas de oxigénio. Os resultados obtidos demonstram que o álcool afeta a viabilidade das células quando expostas de forma prolongada e, especialmente, sob concentrações muito elevadas. Verificou-se, também, que o acetaldeído não apresenta qualquer tipo de toxicidade para as células da BHE, sendo o efeito citotóxico apenas atribuível ao álcool. Também se mostrou que o álcool não afeta a permeabilidade da BHE às sondas FD4 ou LY, mas que reduz a resistência elétrica transendotelial das células endoteliais da BHE. Adicionalmente, demonstrou-se que o álcool afeta a expressão de junções de oclusão comuns, como a zonula occludens-1 (ZO-1), ocludina e claudina-5. Complementarmente, descreveu-se que o álcool afeta o transporte de tiamina para o cérebro, na medida em que reduz a expressão do transportador maioritário da tiamina, Thtr2. Após uma tentativa de avaliar o transporte de tiamina de forma quantitativa entre os compartimentos sangue e cérebro, propõe-se a realização de um método alternativo, uma vez que o método descrito aqui mostrou claras limitações. Outros resultados demonstram que o efeito combinado da exposição de álcool com cocaína afeta a viabilidade celular das células endoteliais da BHE, mas não a exposição com álcool e metanfetamina. Adicionalmente, determinou-se que a exposição concomitante com psicoestimulantes tem um impacto significativo na integridade da BHE, assim como na redução da sua resistência elétrica transendotelial. Para além disso, mostrou-se que o abuso múltiplo de substâncias afeta a expressão das proteínas de junção de forma negativa, uma vez que a expressão de ZO-1 e ocludina nas células endoteliais da BHE está diminuída. Para concluir, clarificou-se que o abuso concomitante de álcool com cocaína ou álcool com metanfetamina não tem nenhum efeito na produção de espécies reativas de oxigénio. Os resultados obtidos também demonstram que a psilocina não tem qualquer influência na viabilidade celular, exceto para uma concentração elevada de 100 μM. O mesmo pode ser referido acerca da integridade da BHE, em que não se verificou nenhum efeito da psilocina, exceto para a concentração de 50 μM, que reduziu a resistência elétrica transendotelial, de forma significativa. Adicionalmente, verificamos que a psilocina não tem qualquer efeito na expressão de junções apertadas presentes na BHE. Impressionantemente, também concluímos que a psilocina reduz o stress oxidativo em células endoteliais da BHE. Para concluir, este estudo contribui de forma detalhada para a elucidação dos mecanismos patofisiológicos subjacentes ao défice de tiamina presente em doenças relacionadas com o abuso de álcool. Desta forma, o estudo abre portas a várias opções terapêuticas relacionadas com a absorção de tiamina no cérebro. A descrição do impacto da suplementação de tiamina durante um estado crónico de abuso de álcool ainda carece de estudos adicionais. Para além disso, o estudo conclui, pela primeira vez, que a BHE se encontra severamente afetada num estado de abuso concomitante de drogas, sendo incluído no estudo um dos tipos de abuso mais frequentes, nomeadamente, o abuso combinado de álcool com psicoestimulantes. Ainda, este estudo elucida, pela primeira vez, que os compostos psicadélicos, aparentemente, apresentam um perfil de segurança elevado nas células endoteliais da BHE. Os autores propõem que este tipo de compostos apresentam um elevado potencial farmacológico devido à sua ação como agente antioxidante.

Psychoactive drugs are among the most abused substances globally and often associated with a high economic and social burden. The blood-brain barrier (BBB) is a selective semipermeable border, that acts as an interface between the vascular system and neural tissues, securing physical, nutritional, and metabolic support in the homeostasis of the central nervous system (CNS). Commonly abused drugs, like nicotine and ethanol (EtOH) have been shown to induce neurotoxicity and increased permeability of the BBB, among other effects. The most prominent form of abuse is chronic EtOH consumption, which is tightly related to the neurological diseases Wernicke encephalopathy and Korsakoff syndrome. It is hypothesized that these pathologies result from deficient thiamine (vitamin B1) supply to the brain. EtOH is widely co-abused with other substances, especially psychostimulants, and this type of abuse is linked to a higher addiction rate and mortality, being its effects on the BBB overlooked. Psychedelics have been recently regarded as safe compounds due to their non-addicting potential, however little is known about the direct effects of these compounds on the BBB properties. We established an in vitro HBEC-5i cell-based interface to mimic the human BBB and study the effect of substance abuse on the properties of the BBB using a multi-faceted approach. The findings show that the thiamine uptake into the brain is impaired by chronic EtOH abuse. Also, results show that EtOH co-exposure with cocaine or METH affects the cell viability and permeability of the BBB, including downregulation of tight junction proteins. Moreover, psilocin revealed to be safe at the BBB-level and showed potential as a reactive oxygen species scavenger. The findings shed light on the mechanisms underlying the impairment of the thiamine human blood-brain transport axis. We also described for the first time the effects of polydrug abuse and psychedelics on the BBB properties. This study delivers new insights on useful approaches to mitigate negative consequences for brain health.