Neuropeptide Response in Traumatic Brain Injury

Abstract

O traumatismo crâneo-encefálico (TCE) é um importante problema de Saúde Pública, com impacto significativo na vida das suas vítimas e considerável repercussão em termos sociais e económicos. Para além de sequelas neurológicas major, acumula-se a evidência científica sobre a relação entre o TCE, mesmo o de menor intensidade, e posteriores transtornos da função cognitiva, equilíbrio e coordenação motora. Após o traumatismo inicial, o TCE induz diferentes fenómenos patológicos, como excitoxicidade glutamatérgica, perturbação da barreira hemato-encefálica, edema cerebral e neuroinflamação, que por sua vez determinam consequências a longo-prazo no contexto de dano secundário, tais como neurodegeneração e perturbação das funções cerebrais superiores. De momento, não existem protocolos terapêuticos eficazes no tratamento do TCE e suas consequências, apesar do conhecimento científico estar, no que respeita aos mecanismos celulares subjacentes, em evolução contínua mas ainda com muitas questões por responder. Estudos recentes ligam a resposta multifatorial pós-TCE e inflamação a níveis elevados de Substância P, entre outras moléculas. A Substância P atua via recetores NK-1, promovendo a permeabilidade da barreira hemato-encefálica e modulando a conhecida hipomagnesémia pós-traumática, com influência direta nos recetores N-metil-D-aspartato (NMDA) e respetivas vias de sinalização e indução de excitotoxicidade. O Neuropeptídeo Y (NPY), um dos neuropeptídeos mais abundantes no cérebro e pouco estudado em relação ao TCE, demonstra aparentes efeitos neuroprotetores em diferentes contextos patológicos, modulando a excitabilidade hipocâmpica glutamatérgica (via recetores NPY Y2), assim como promovendo a atividade pró-neurogénica (via recetores NPY Y1) e pró-migratória, como evidenciado em modelos animais de isquémia. O NPY desempenha um papel importante na resposta inicial a diferentes eventos (acidente vascular cerebral, epilepsia), provavelmente atuando como modulador do ambiente citotóxico e regeneração neuronal pós-agressão. Porém, o papel do NPY na resposta primária e secundária ao TCE ainda não está esclarecido, considerando todos os mecanismos celulares e neurobiológicos que agravam o dano cerebral inicial (Capítulo I). No presente trabalho, colocou-se a hipótese de que o TCE origina uma resposta neuropeptídica faseada, com um aumento imediato da Substância P e posterior incremento compensatório do NPY, com potencial efeito neuroprotector. Do ponto de vista translacional, a “ciência básica” permite responder a questões ao nível celular e molecular como um meio de melhorar a prática clínica e respectivo outcome (“from bench to bedside and back again”). Assim, este trabalho inclui procedimentos experimentais que poderão interferir com a resposta pós-traumática secundária. De modo a elucidar o papel do NPY e o seu potencial terapêutico numa administração exógena, foi utilizado um modelo animal de TCE (protocolo de traumatismo por “queda de peso”) (Capítulo II). Com este trabalho foi possível demonstrar o efeito neuroprotetor do NPY numa condição de TCE, prevenindo ou atenuando diferentes consequências deletérias, incluindo disrupção da barreira hemato-encefálica, morte neuronal, ativação das células da glia (astrócitos e microglia) e neuroinflamação. Relativamente à componente clínica, um abrangente protocolo de colheitas de amostras de sangue em vítimas humanas de TCE permitiu estudar a resposta neuropeptídica faseada (Capítulo III), com significativas flutuações temporais nos seus níveis (incluindo um aumento precoce nos níveis de SP e um incremento bimodal nos níveis de NPY), assim como óbvias alterações iónicas e variações nos níveis de S100B, um conhecido biomarcador no TCE. Finalmente, o Capítulo IV inclui uma discussão geral e considerações sobre o estado atual, dificuldades e direções futuras na investigação em TCE, nomeadamente na sua vertente translacional.

Traumatic Brain Injury (TBI) is a major public health problem, with considerable clinical impact on its victims and a tremendous economic and social burden. Besides significant neurological sequelae, scientific evidence shows that, even in mild cases, TBI can be responsible for long-term deficits and impairments concerning cognitive function, balance and motor coordination. Following initial injury, TCE promotes different pathological events, such as glutamatergic excitotoxicity, Blood-Brain Barrier (BBB) breakdown, brain edema and neuroinflammation, and long-term consequences in the context of secondary injury, with neurodegeneration and impairment of higher functions. Presently, there is no successful therapeutic protocol for TBI in all its forms, although the knowledge regarding mechanisms underlying cellular damage is continuously evolving but still with many open questions. Recent reports link post-TBI multifactorial response and inflammation to increased Substance P (SP) levels, among several other molecules. SP acts via NK-1 receptors, increasing BBB permeability and modulating the well-known post-traumatic hypomagnesemia, with direct influence on NMDA receptors signalling pathway and excitotoxicity. Neuropeptide Y (NPY), one of the most abundant neuropeptides in the brain and scarcely studied regarding TBI, has been shown to display neuroprotective effects in different pathological contexts by modulating glutamatergic hippocampal excitability (via receptors NPY Y2), as well as by having a pro-neurogenic (via NPY Y1 receptors) and pro-migratory activity, as shown in ischemia animal models. NPY plays a role in the primary response to different events (stroke, epilepsy), arguably acting as a modulator for both post-aggression cytotoxic environment and neuronal regeneration. However, NPY’s role in the primary and secondary response to TBI is yet to be elucidated, considering all cellular and neurobiological mechanisms that further aggravate initial brain damage (Chapter I). In the present study, TBI was hypothesized to lead to a multistage neuropeptide response, with an immediate increase in SP, followed by a compensatory NPY upregulation with a potential neuroprotective effect. From a translational perspective, basic science is essential to clarify the cellular and molecular mechanisms in order to improve clinical practice and outcome (”from bench to bedside and back again”). Therefore, this work includes experimental procedures that ultimately interfere with the secondary post-traumatic response. In order to better elucidate NPY’s role and its therapeutic potential, an animal model of TBI (weight drop injury protocol) was used (Chapter II). A neuroprotective effect of NPY was uncovered, since it prevented or attenuated several TBI deleterious effects, including BBB disruption, neuronal death, microglia and astrocyte activation and overall neuroinflammation. A comprehensive blood-sampling protocol on human TBI victims allowed us to conclude about a multistage neuropeptide response (Chapter III), with significant fluctuations in its levels (including an early increase in SP and a bimodal rise in NPY) and revealing timings concerning ionic disturbance and variations in S100B levels, a well-known TBI biomarker. Finally, Chapter IV includes a general discussion and considerations over the current status, obstacles and future directions in TBI research with a translational perspective.