Diferenças no substrato metabólico utilizado e na função mitocondrial induzem prognósticos distintos à hipóxia-isquemia neonatal em diferentes estágios de desenvolvimento em ratos Wistar

Abstract

A hipóxia-isquemia neonatal (HI) causa severas sequelas e faz parte da etiologia de diversas doenças neurológicas. Já é bem descrito que o mesmo protocolo de HI que causa danos cognitivos e teciduais significativos em animais no dia pós-natal 7 (P7), ou HIP7, não causa danos em animais mais jovens, HIP3. Os fatores que culminam na diferença de resposta à lesão hipóxico-isquêmica ainda não foram estudados. Diferenças no metabolismo encefálico como utilização de corpos cetônicos e glicose, além de mudanças na função mitocondrial observados durante estes estágios parecem estar entre os fatores que mais contribuem para a diferença de severidade na lesão. Essa tese tem como objetivo estudar a influência desses mecanismos no modelo de HI neonatal induzido em diferentes estágios do desenvolvimento em ratos Wistar. No primeiro capítulo comparamos o efeito da lesão em 3 idades: HIP3, HIP7 e HIP11, com seus respectivos sham. Observamos prejuízos no aprendizado e dano tecidual de maneira dependente da idade, em que o grupo HIP11 possuía déficits de aprendizado e grande lesão tecidual, o grupo HIP7 possuía menor prejuízo, enquanto o grupo HIP3 não apresentava nenhum dano detectável. Através do imageamento por [18F]FDG microPET realizados 24 e 72h após a lesão mostrou um crescimento linear da captação de glicose do encéfalo com a idade, além de um hipometabolismo significativo no hemisfério ipsilateral no grupo HIP11, enquanto o mesmo não foi encontrado no grupo HIP3. Observamos também uma acentuada redução da oxidação de β-hidroxibutirato com o desenvolvimento, sugerindo que a maior contribuição de β-hidroxibutirato e menor de glicose podem estar entre os fatores que conferem ao encéfalo imaturo maior resiliência à lesão. Além disso, foram encontradas correlações significativas entre a captação de glicose (determinada por imageamento por [18F]FDG microPET), principalmente 72h após a HI, e os déficits de aprendizado, bem como a lesão tecidual na idade adulta, mostrando que a técnica é eficaz em prever as consequências da lesão na idade adulta. No capítulo II investigamos diferentes respostas à HI na função mitocondrial, utilizando os grupos HIP3 e HIP11, com seus respectivos sham. Um aumento na apoptose e perda do potencial de membrana mitocondrial foram observados apenas no grupo HIP11. Além disso, observamos um aumento na atividade do ciclo do ácido tricarboxílico (TCA) e dos complexos da cadeia respiratória mitocondrial com o desenvolvimento, na ausência de lesão. A HI induziu uma redução na atividade de enzimas do ciclo TCA, bem como dos complexos mitocondriais apenas no grupo HIP11, sugerindo que um aumento de demanda metabólica no encéfalo em fases avançadas do desenvolvimento pode explicar sua maior susceptibilidade à lesão HI. Ainda, uma maior produção de espécies reativas de oxigênio somadas a uma menor atividade de enzimas antioxidantes também parecem contribuir para o maior dano observado no grupo HIP11. Os resultados da presente tese demonstram que as diferenças no metabolismo encefálico durante o desenvolvimento estão entre os principais determinantes da severidade da HI. O maior uso de corpos cetônicos e a redução do metabolismo encefálico parecem ser alvos terapêuticos importantes que merecem ser mais estudados.

Neonatal hypoxia-ischemia (HI) causes severe sequelae and is part of the etiology of several neurological pathologies. It is known that the same HI protocol that causes significant cognitive and tissue damage in animals on the postnatal day 7 (P7), or HIP7, does not cause damage to younger animals, HIP3. The factors that culminate in the different responses to the HI injury have not yet been studied. Differences in brain metabolism such as the use of ketone bodies and glucose, in addition to changes in mitochondrial function observed during these stages seem to be among the factors that contribute to the difference in injury severity. This thesis aims to study the influence of such mechanisms in a model of neonatal HI induced at different developmental stages in Wistar rats. In the first chapter we compare the effect of the injury in 3 ages: HIP3, HIP7 and HIP11, with their respective sham groups. We observed impairments in learning and tissue damage in an age-dependent manner, in which the HIP11 group had learning deficits and more tissue damage, the HIP7 group showed less impairment, while the HIP3 group presented no detectable damage. [18F] FDG microPET imaging performed 24 and 72h after the injury showed a linear increase in brain glucose uptake during development, in addition to a significant hypometabolism in the ipsilateral hemisphere in the HIP11 group, while it was not found in the HIP3 group. We also observed a marked reduction in the oxidation of β-hydroxybutyrate throughout development, suggesting that the greater β-hydroxybutyrate contribution and lower glucose usage may be among the factors that give the immature brain greater resilience to HI injury. In addition, significant correlations were found between glucose uptake (determined by [18F] FDG microPET imaging), especially 72 hours after the HI, and learning deficits, as well as tissue injury in adulthood, showing that the technique is effective in predicting the consequences of the injury in adulthood. In chapter II we investigated different HI-induced responses in mitochondrial function, using the HIP3 and HIP11groups, with their respective shams. An increase in apoptosis and loss of mitochondrial membrane potential was observed in the HIP11 group only. In addition, we observed an increase in the activity of the tricarboxylic acid (TCA) cycle and in the mitochondrial respiratory complexes with development, in the absence of injury. HI induced a reduction in the activity of TCA cycle enzymes as well as in the mitochondrial complexes in the HIP11 group only, suggesting that an increase in metabolic demand in the brain in advanced stages of development may explain its greater susceptibility to HI injury. Still, a higher production of reactive oxygen species associated with a lower activity of antioxidant enzymes also seem to contribute to the greater damage observed in the HIP11 group. The results of the present thesis demonstrate that the differences in brain metabolism during development are among the main determinants of HI severity. The greater use of ketone bodies and the reduction of brain metabolism seem to be important therapeutic targets that deserve further study.