Metabolismo da tetraidrobiopterina como componente fisiopatológico em processos inflamatórios e nociceptivos

Abstract

Baseado nas descobertas do nosso grupo de pesquisa que relacionaram a produção exacerbada da tetraidrobiopterina (BH4) com a indução de dor neuropática e perpetuação do processo inflamatório, este trabalho investigou a participação do metabolismo da BH4 na indução de dor crônica de tipo inflamatória na colite ulcerativa experimental. Além de investigar os mecanismos moleculares envolvidos na maior produção de BH4 após um desafio inflamatório. Os resultados mostraram que a administração oral de sulfato de sódio de dextrana (DSS) para induzir colite experimental provocou dor abdominal em camundongos. A algesia aconteceu em ambiente celular caracterizado pelo aumento de marcadores pró-inflamatórios, incluindo os componentes do inflamassoma NLRP3 e da interleucina 1 beta (Il1b). O metabolismo da BH4 também se encontrou aumentado, com níveis elevados no cólon e plasma dos camundongos tratados com DSS. Sabe-se que o aumento de BH4 ativa as enzimas dependentes nas quais a molécula atua como cofator enzimático, incluindo a triptofano hidroxilase, que sintetiza cerca de 90% da serotonina no intestino. Evidenciamos que o transportador de recaptação de serotonina do cólon (SERT), que libera o neurotransmissor do intestino para a circulação sistêmica, estava reduzido na colite experimental, sugerindo acúmulo de serotonina intestinal, molécula associada à indução de algesia. A seguir, estudamos o papel da BH4 como mediador direto da nocicepção em neurônios sensoriais obtidos dos gânglios da raiz dorsal (DRG) de camundongos. Através de estudos de movimentação de cálcio intracelular utilizando culturas primárias de neurônios do DRG, foi observado que a BH4 e a sua forma oxidada BH2 ativaram nociceptores através de receptores de tipo vanilóide TRPV1 e TRPA1. Entretanto, o pré-tratamento agudo com BH4 e BH2 por 2 min não potencializou as respostas neuronais ao alil-isotiocianato (AITC), agonista de TRPA1, ou à capsaicina, agonista de TRPV1. Além disso, o tratamento com BH2 ou sepiapterina por 24 h, para aumentar os níveis intracelulares de BH4, não alterou as respostas neuronais à capsaicina. Esses resultados indicam que a BH4 e a BH2 possuem um efeito direto na ativação de nociceptores, mas não potencializam a resposta neuronal à agonistas de TRPV1 ou TRPA1 após tratamento prévio ou prolongado, o que envolveria um efeito indireto na indução de dor crônica. Finalmente, foi demonstrado que um único estímulo inflamatório induzido pela administração de lipopolissacarídeo (LPS) provocou mudanças epigenéticas que resultaram em maior produção de BH4. O LPS induziu comportamento doentio nos animais, acompanhado por aumento da expressão do inflamassoma NLRP3, estresse oxidativo e alterações em compostos dependentes de BH4, maior produção de óxido nítrico e redução do turnover de dopamina no hipocampo. Ainda, níveis elevados de neopterina foram observados no hipocampo e no plasma dos animais que receberam LPS. Essas modificações bioquímicas aconteceram paralelamente à hipometilação do DNA dos genes de síntese da BH4, possivelmente devido ao aumento da expressão da enzima de desmetilação Tet2. Os dados indicam que modificações epigenéticas poderiam influenciar a regulação das concentrações intracelulares de BH4. Esses aspectos enfatizam a BH4 como um alvo promissor para intervenções terapêuticas que visem mitigar tanto processos inflamatórios quanto a hipersensibilidade à dor.

Abstract: Based on the findings of our research group that associated the exacerbated production of tetrahydrobiopterin (BH4) with the induction of neuropathic pain and the perpetuation of the inflammatory process, this study investigated the role of BH4 metabolism in the induction of chronic inflammatory pain in experimental ulcerative colitis. Additionally, it examined the molecular mechanisms involved in the increased production of BH4 following an inflammatory challenge. The results showed that oral administration of dextran sodium sulfate (DSS) to induce experimental colitis caused abdominal pain in mice. The algesia occurred in a cellular environment characterized by increased pro-inflammatory markers, including components of the NLRP3 inflammasome and interleukin 1 beta (Il1b). BH4 metabolism was also elevated, with increased levels in the colon and plasma of DSS-treated mice. It is known that elevated BH4 activates dependent enzymes in which the molecule acts as a cofactor, including tryptophan hydroxylase, which synthesizes approximately 90% of serotonin in the intestine. We demonstrated that the serotonin reuptake transporter in the colon (SERT), responsible for releasing the neurotransmitter from the intestine into systemic circulation, was reduced in experimental colitis, suggesting an accumulation of intestinal serotonin, a molecule associated with algesia induction. Subsequently, we studied the role of BH4 as a direct mediator of nociception in sensory neurons obtained from the dorsal root ganglia (DRG) of mice. Through intracellular calcium movement studies using primary cultures of DRG neurons, it was observed that BH4 and its oxidized form BH2 activated nociceptors via vanilloid-type receptors TRPV1 and TRPA1. However, acute pretreatment with BH4 and BH2 for 2 minutes did not potentiate neuronal responses to allyl isothiocyanate (AITC), a TRPA1 agonist, or to capsaicin, a TRPV1 agonist. Furthermore, treatment with BH2 or sepiapterin for 24 hours, aimed at increasing intracellular BH4 levels, also did not alter neuronal responses to capsaicin. These results indicate that BH4 and BH2 have a direct effect on nociceptor activation but do not potentiate neuronal responses to TRPV1 or TRPA1 agonists after prior or prolonged treatment, suggesting an indirect effect in chronic pain induction. Finally, it was demonstrated that a single inflammatory stimulus induced by lipopolysaccharide (LPS) administration caused epigenetic changes that resulted in increased BH4 production. LPS induced sickness behavior in the animals, accompanied by increased expression of NLRP3 inflammasome components, oxidative stress, alterations in BH4-dependent compounds, increased nitric oxide production, and reduced dopamine turnover in the hippocampus. Additionally, elevated levels of neopterin were observed in the hippocampus and plasma of LPS-treated animals. These biochemical changes occurred alongside DNA hypomethylation in BH4 synthesis genes, possibly due to increased expression of the demethylation enzyme Tet2. The data indicate that epigenetic modifications could influence the regulation of intracellular BH4 concentrations. These findings highlight BH4 as a promising target for therapeutic interventions aimed at mitigating inflammatory processes and pain hypersensitivity.