Alterações de parâmetros bioenergéticos hipocampais induzidos por hiperglicemia crônica e derivados da glicose em células neurais

Abstract

Tanto o diabetes mellitus (DM) quanto a obesidade são distúrbios metabólicos crônicos, caracterizados por um estado de hiperglicemia persistente e/ou excesso de tecido adiposo, respectivamente. A Organização Mundial de Saúde aponta a obesidade como um dos maiores problemas de saúde pública no mundo, com uma projeção de 2,3 bilhões de adultos com sobrepeso e mais de 700 milhões obesos em 2025. Estima-se que no Brasil mais de 50% da população está acima do peso, sendo as crianças representadas por 15%. Inúmeros estudos no mundo têm identificado uma correlação positiva entre obesidade e DM com uma maior predisposição ao desenvolvimento de alterações cognitivas, demência e doenças neurodegenerativas. Nosso grupo demonstrou recentemente que leucócitos de crianças obesas e o hipocampo de animais hiperglicêmicos apresentam marcadores bioquímicos que sugerem compromisso das vias de sinalização envolvidas na aquisição e consolidação de processos cognitivos. Estes biomarcadores estão relacionados com um perfil epigenético não permissivo para a expressão de genes antioxidantes, anti-inflamatórios e envolvidos na função mitocondrial produtora de energia. Neste trabalho, caracterizamos melhor o metabolismo energético hipocampal mediante o estudo de vias de sinalização mediadas pela proteína cinase ativada por adenosina monofosfato (AMPK) a qual atua como o sensor mestre do metabolismo, regulando a homeostase energética, bem como a energia neuronal essencial para os processos de formação de memória. Para isso, utilizamos um modelo de hiperglicemia crônica (60 dias) em ratos Wistar induzida por uma única dose de estreptozotocina (STZ, 55 mg/kg, intraperitonealmente). O tratamento mostrou uma menor relação AMPK-p/AMPK sem quaisquer modificações no conteúdo ou atividade das diferentes isoformas da creatina cinase (CK) e da cinase hepática B1 (LKB1) no hipocampo dos animais tratados com STZ. Adicionalmente, para entender a consequência de um meio extracelular com altas concentrações de glicose sobre células nervosas, expomos neurônios hipocampais da linhagem H19-7 e astrócitos da linhagem C6 a dois derivados metabólicos da glicose, o metilglioxal (MG) e as proteínas oxidadas por MG, os produtos finais de glicação avançada (AGEs). A seguir, a respiração mitocondrial e o conteúdo de vacúolos autofágicos foram quantificados, respectivamente. Observamos que a síntese neuronal de ATP foi comprometida e a síntese de espécies reativas do oxigênio foi estimulada pelo tratamento, o que provocaria disfunção mitocondrial e estimularia o processo de autofagia. No entanto, a mitofagia basal não foi estimulada nas células astrocíticas C6. Esses resultados sugerem que a desregulação metabólica presente na obesidade e/ou DM pode comprometer a atividade do principal sensor energético, a AMPK, prejudicando a homeostase celular hipocampal e provocando prejuízos na fisiologia mitocondrial que resultariam em deficiência cognitiva e predisposição à neurodegeneração.<br>

Abstract: Both diabetes mellitus (DM) and obesity are chronic metabolic disorders, characterized by a state of persistent hyperglycemia and/or excess adipose tissue, respectively. The World Health Organization points to obesity as one of the biggest public health problems in the world, with a projection of 2.3 billion overweight adults and over 700 million obese in 2025. It is estimated that in Brazil over 50% population is overweight, with children accounting for 15%. Numerous studies worldwide have identified a positive correlation between obesity and DM with a greater predisposition to the development of cognitive impairment, dementia and neurodegenerative diseases. Our group recently demonstrated that leukocytes in obese children and hippocampus in hyperglycemic animals have biochemical markers that suggest compromised signalling pathways involved in the acquisition and consolidation of cognitive processes. These biomarkers are related to a non-permissive epigenetic profile for the expression of antioxidant, anti-inflammatory genes involved in the mitochondrial energy-producing function. In this work, we better characterize hippocampal energy metabolism by studying signalling pathways mediated by adenosine monophosphate-activated protein kinase (AMPK) which acts as the master metabolism sensor, regulating energy homeostasis as well as essential neuronal energy for memory formation processes. For this, we used a 60-day chronic hyperglycemia model in Wistar rats induced by a single dose of streptozotocin (STZ, 55 mg/kg intraperitoneally). Treatment showed a lower AMPK-p / AMPK ratio without any changes in the content or activity of different creatine kinase (CK) and hepatic kinase B1 (LKB1) isoforms in the hippocampus of STZ-treated animals. Additionally, to understand the consequence of an extracellular medium with high glucose concentrations on nerve cells, we expose H19-7 strain hippocampal neurons and C6 strain astrocytes to two glucose metabolic derivatives, methylglyoxal (MG) and MG-oxidized proteins. , the advanced glycation end products (AGEs). Next, mitochondrial respiration and the content of autophagic vacuoles were quantified, respectively. We observed that ATP neuronal synthesis was compromised and the synthesis of reactive oxygen species was stimulated by treatment, which would cause mitochondrial dysfunction and stimulate the autophagy process. However, basal mitophagy was not stimulated in C6 astrocytic cells. These results suggest that the metabolic dysregulation present in obesity and / or DM may compromise the activity of the main energy sensor, AMPK, impairing hippocampal cell homeostasis and causing impairments in mitochondrial physiology that would result in cognitive impairment and predisposition to neurodegeneration.