Role of astrocytes in synaptic plasticity and memory in animal models of Alzheimer's disease

Abstract

Os astrócitos, a maior população celular do cérebro, têm um papel importante no processamento e metabolismo neuronal e no controlo da barreira hematoencefálica. Evidências apoiam a existência de uma comunicação bidirecional entre neurónios e astrócitos no controlo da função cerebral, originando o conceito de "sinapse tripartida", que postula que os astrócitos são o terceiro elemento ativo das sinapses, modulando a plasticidade sináptica. A plasticidade sináptica, nomeadamente a potenciação de longa duração (LTP, “long-term potentiation”) e a depressão de longa duração (LTD, “long-term depression”) representam os mecanismos neurofisiológicos associados à memória, na qual o hipocampo tem um papel crucial. A doença de Alzheimer (DA) caracteriza-se por uma acumulação de placas amilóides extracelulares, compostas maioritariamente por péptidos β-amilóide (Aβ) e por tranças neurofibrilares constituídas por proteína tau hiperfosforilada. Assim, Aβ é considerado causar DA, levando às perdas e disfunção sináptica subjacentes aos défices cognitivos associados a esta patologia neurodegenerativa. No entanto, o papel dos astrócitos, nomeadamente na atividade sináptica na DA continua pouco esclarecido. O presente estudo pretende definir o impacto dos astrócitos na plasticidade sináptica hipocampal, particularmente em LTP e LTD, bem como avaliar marcadores astrocíticos, em condições não-patológicas e de DA. Para mimetizar a DA, as fatias de hipocampo foram incubadas com o peptídeo Aβ1-42 solúvel (exposição aguda, 50 nM, durante 40 min) ou administrado intracerebroventricularmente (icv, 0,5 mM) em murganhos C57Bl/6 jovens adultos. Além disso, também foi usado o modelo animal triplo transgénico da DA, os murganhos 3xTgAD.Realizaram-se registos de eletrofisiologia nos neurónios piramidais presentes na região CA1 na via proveniente dos colaterais de Schaffer e mediu-se LTD primeiramente em condições de exposição aguda a Aβ1-42. Os resultados obtidos demonstram que a Aβ1–42 teve um impacto robusto na amplitude de LTD, levando a um desvio de LTD para LTP. Para silenciar a contribuição dos astrócitos na modulação da plasticidade sináptica, utilizámos a gliotoxina L-α-aminoadipato (L-AA), previamente validada na indução da patologia astrocítica. A incubação de fatias do hipocampo com L-AA (100 µM, 2 h) não teve efeito na amplitude LTD em condições não-patológicas (controlo). No entanto, a exposição a L-AA em condições patológicas de DA reverteu significativamente os efeitos de Aβ1-42 na plasticidade sináptica, levando a uma recuperação da amplitude de LTD.Os animais injetados (icv) foram sujeitos a testes comportamentais para avaliar o desempenho de tarefas dependentes do hipocampo e, os murganhos injetados (icv) com Aβ1-42 apresentaram défices significativos de memória quando comparados com os injetados com veículo. À semelhança dos efeitos observados em condições de exposição aguda a Aβ1-42, a LTD e também LTP foram significativamente comprometidas em comparação com os murganhos injetados com veículo. Adicionalmente fez-se estudos imunohistoquímicos para identificar as proteínas astrocíticas, proteína acídica fibrilar glial (GFAP) e S100β, em cortes transversais de fatias do hipocampo de murganhos injetados (icv). Os resultados revelaram um aumento na imunorreatividade da GFAP em animais Aβ1-42. Em concordância com os estudos de exposição aguda a Aβ1-42, a incubação com L-AA apenas teve efeito na amplitude de LTD sob condições que mimetizam a DA (Aβ1-42 icv), revertendo significativamente os efeitos de Aβ1-42 na plasticidade sináptica, recuperando o prejuízo na LTD. Contrariamente, em condições não-patológicas o L-AA diminuiu significativamente a LTP, sendo este efeito menos evidente em condições de DA (Aβ1-42 icv). Ademais, a gliotoxina (L-AA) aumentou a imunorreatividade de GFAP observado em condições controlo (veículo icv) e não tendo efeito significativo na reatividade dos astrócitos em condições de DA. Estes dados reforçam a interferência desta gliotoxina na função astrocítica e a ideia de que os astrócitos são cruciais para a regulação da plasticidade sináptica, em especial na LTD em condições de DA.A plasticidade sináptica foi avaliada em murganhos 3xTgAD (11 meses) onde se observou uma tendência para um aumento na amplitude LTP comparado com murganhos não transgénicos (nonTg). Além disso, as fatias de hipocampo de murganhos 3xTgAD exibiram uma intensa reatividade astrocítica avaliada pela imunorreatividade de GFAP nas regiões CA1 e CA3. A disfunção astrocítica induzida por L-AA pareceu reverter as alterações em LTP observadas em 3xTgAD. Em fatias de ambos os grupos de animais a incubação com L-AA causou um aumento da GFAP.Este trabalho apresenta fortes evidências de que os astrócitos estão disfuncionais em condições de DA, comprometendo a plasticidade sináptica hipocampal e a memória, suportando o conceito de que os astrócitos podem ser um apropriado alvo para o desenvolvimento de novos tratamentos para a DA.

Astrocytes, the largest cell population in the brain, have a key role in neuronal function and metabolism and in the control of blood brain barrier. Increasing evidences support the existence of a bidirectional communication between neurons and astrocytes in the control of brain function, giving rise to the concept of ‘tripartite synapse’, which postulates that astrocytes are the third active element of synapses with the capacity of fine-tune synaptic plasticity. The synaptic plasticity, such as the long-term potentiation (LTP) and long-term depression (LTD), constitute the neurophysiological mechanisms of memory, a process in which hippocampus has a key role. Alzheimer’s disease (AD) is characterized by the accumulation of extracellular amyloid plaques, composed mainly by amyloid-β (Aβ) peptide, and by neurofibrillary tangles constituted by hyperphosphorylated tau protein. Aβ peptides are considered to be a causative agent of AD, which can cause synaptic loss and dysfunction that underlie the cognitive and memory deficits associated to this neurodegenerative disorder. However, the role of astrocytes, namely on synaptic function under AD conditions, is still not completely understood. The present study aims to define the impact of astrocytes on hippocampal synaptic plasticity, in particular on LTP and LTD, as well as to evaluate the astrocytic markers in physiological and AD-like conditions. To mimic AD-like conditions, hippocampal slices were incubated with soluble Aβ1–42 (acute exposure, 50 nM, for 40 min) or administrated intracerebroventricularly (icv, 0.5 mM) in young adult C57Bl/6 mice. Moreover, a transgenic AD animal model, 3xTgAD mice, was used.Electrophysiological recordings in the Schaffer collaterals-CA1 pyramid synapses were performed and LTD was first measured under acute exposition to Aβ1–42. The data obtained showed that Aβ1–42 had a robust impact on LTD amplitude, leading to a shift of LTD toward LTP, compared with control mice. To silence astrocytic contribution in shaping synaptic plasticity we used the gliotoxin L-α-aminoadipate (L-AA), previously validated to induce astrocyte pathology. Incubation of hippocampal slices with L-AA (100 µM, 2 h) had no effect on LTD amplitude in non-pathological conditions (control). However, treatment with L-AA under AD-like conditions significantly reverted the effects of Aβ1–42 on synaptic plasticity, rescuing LTD impairment.The icv-injected mice were behaviorally characterized using hippocampal-dependent tasks, and it was observed a memory deficit in icv Aβ1-42 mice when compared with vehicle mice. Similarly, to that observed in hippocampal slices acutely exposed to Aβ1–42, in icv Aβ1-42 injected mice the hippocampal LTD and also LTP were significantly compromised, as compared with icv-vehicle mice. Furthermore, immunohistochemical analysis probing for astrocytic markers, such as the glial fibrillary acidic protein (GFAP) and S100β were performed in transverse hippocampal sections obtained from slices of icv-vehicle and Aβ1–42 injected mice. The results showed an increase in GFAP immunoreactivity in slices from icv Aβ1–42 injected mice. In agreement with our data obtained in conditions of acute Aβ1–42 exposure, the incubation of hippocampal slices with the gliotoxin (L-AA) had no effect on LTD in control conditions. However, under AD-like conditions (icv injection), L-AA significantly reverted the effects of Aβ1–42 on synaptic plasticity, rescuing LTD impairment. By contrast in non-pathological conditions, the LTP was significantly decreased by L-AA, being this effect less evident in icv Aβ1–42 injected mice. Moreover, it was observed that this gliotoxin (acute exposure) increased hippocampal GFAP immunoreactivity in physiological conditions, but in AD-like conditions decrease the effect was the opposite. These data reinforce that indeed this gliotoxin was interfering with astrocytes function and these glial cells had a prominent role in shaping synaptic function, contributing to synaptic plasticity impairment, mainly LTD, in AD-like conditions.We also evaluated the hippocampal synaptic plasticity in the 3xTgAD mice (with 11 months old) that showed a tendency to an increase in hippocampal LTP amplitude compared with littermates non-transgenic (nonTg) mice. Moreover, the slices from 3xTgAD exhibited an increased astrocytic reactivity, assessed by GFAP immunoreactivity in CA1 and CA3 regions of hippocampus. The astrocytes blunting triggered by L-AA tend to rescue the LTP alterations observed in 3xTgAD. The incubation of LAA of hippocampal slices from both 3xTgAD and nonTg mice seemed to cause an increase in GFAP immunoreactivity.Overall, the current work demonstrates strong evidences that in AD-like conditions, the astrocytes are dysfunctional, impairing hippocampal synaptic plasticity and memory. Thus, these studies support that astrocytes can be viewed as a valid target for the development of novel treatments for AD.