Impact of traumatic brain injury on astrocytes: role of neuropeptide Y

Abstract

O traumatismo crânio-encefálico (TCE) é considerado a principal causa de morte e incapacidade em todo o mundo, e ocorre devido a forças mecânicas externas com diversas causas, que originam lesões com diferentes graus de gravidade. O TCE pode levar a consequências imediatas ou a longo prazo, incluindo doenças neurodegenerativas e psiquiátricas. Apesar da elevada incidência entre a população e do impacto significativo que tem a nível social, económico e de saúde, ainda não existe uma abordagem terapêutica efetiva contra o TCE. Assim, é urgente conhecer as alterações celulares nefastas provocadas pelo TCE e identificar um alvo terapêutico que as permita prevenir ou minimizar.Os astrócitos são as células da glia mais abundantes no cérebro, e quando sofrem um dano, como acontece no TCE, ficam ativadas. A sua resposta induz a propagação de sinais negativos e ativação de diversas vias que culminam na neuroinflamação, défice do suporte neuronal e disfunção da barreira hematoencefálica. Apesar de as consequências iniciais que ocorrem logo após o TCE, como é o caso de lacerações dos tecidos, não serem reparáveis, é possível interferir com as respostas secundárias como a desregulação da homeostasia do cálcio, danos mitocondriais, stress oxidativo e morte celular. Devido ao importante papel que os astrócitos têm na função/disfunção cerebral, são sem dúvida um alvo promissor a ser estudado.O neuropeptídeo Y (NPY) é amplamente expresso no sistema nervoso central e periférico e tem diversas funções importantes. Já foi identificado como um importante alvo em diversas patologias, como é o caso da epilepsia, ansiedade, depressão, entre outras. A nível celular, sabe-se que modula a libertação de neurotransmissores e o influxo de cálcio, tendo também um papel protetor contra a excitotoxicidade, danos mitocondriais e stress oxidativo. Curiosamente, todos estes danos em que o NPY tem efeitos benéficos ocorrem tipicamente numa condição de TCE. Assim, colocámos a hipótese de que o NPY poderia ser um alvo promissor para prevenir ou pelo menos diminuir os efeitos negativos provocados pelo TCE. Deste modo, o objetivo do presente trabalho foi investigar as alterações nos astrócitos induzidas por TCE e avaliar o possível efeito protetor do NPY. Para isso, usámos culturas primarias de astrócitos corticais de rato sujeitas a um modelo in vitro de scratch, que mimetiza as lacerações que ocorrem durante o TCE. Os nossos resultados mostraram que o scratch leva a um aumento da morte celular, por apoptose e necrose, 24h depois do dano. Para além disso, observámos um aumento na proliferação celular 48h após o scratch, o que pode explicar a ausência de morte celular a este tempo. Considerando que o stress oxidativo pode causar morte celular, avaliámos também o impacto do nosso modelo in vitro de TCE nos níveis de espécies reativas de oxigénio produzidos pelos astrócitos, e foi possível observar um aumento da sua produção. Depois desta caracterização, analisámos se o NPY e a ativação dos seus recetores diminuíam as respostas negativas provocadas pelo modelo in vitro de TCE. Curiosamente, o NPY, assim como os agonistas dos recetores Y1 e Y2, preveniram a morte celular e a formação de espécies reativas de oxigénio. Para além disso, o NPY, por si só, promoveu a proliferação celular 24h após o scratch. Por fim, demonstrámos ainda que os astrócitos expressam os dois recetores, e que os níveis do recetor Y1 se encontram aumentados 48h depois do dano. Em suma, os nossos resultados mostram que o modelo in vitro de TCE tem um impacto negativo nos astrócitos, levando a que ocorra morte celular e formação de espécies reativas de oxigénio, e que o sistema do NPY protege contra estes efeitos negativos.

Traumatic brain injury (TBI) is considered the leading cause of death and disabilities worldwide. It occurs due to external mechanical forces with several causes, which will originate injuries with different severities. Moreover, TBI can lead to both immediate and long-term negative outcomes, including neurodegenerative and psychiatric conditions. Despite the high incidence among the population and the significant social, economic and health impact induced by TBI, an efficient therapeutic approach remains unknown. Thus, it is urgent to clarify the cellular consequences of TBI and to identify a target to prevent or at least to diminish the negative outcomes of TBI. Astrocytes are the most abundant glial cells in the brain and when injured, such as in TBI, they became reactive. This activation induces the propagation of negative signals, triggering several pathways that will lead to neuroinflammatory processes, neuronal lack of support, and blood-brain barrier dysfunction. Although initial responses after TBI, such as laceration of the tissue, are not repairable, it is possible to interfere with other secondary consequences like deregulation of calcium homeostasis, impaired mitochondrial function, oxidative stress and cellular death. Due to the crucial role of astrocytes in brain (dys)function, they seem a promising target to be studied. Neuropeptide Y (NPY) is widely expressed in the central and peripheral nervous system and has several important functions. In fact, this neuropeptide has been identified as an important target in several conditions, such as epilepsy, anxiety, depression, among others. At the cellular level, it is known to modulate neurotransmitters release and calcium influx, having a protective role against excitotoxicity, mitochondrial impairment and oxidative stress. Interestingly, all these impaired functions where NPY can have a beneficial effect, are in fact TBI hallmarks.Therefore, we hypothesized that NPY could be a promising target to counteract the negative outcomes of TBI. Thus, the aim of the present work was to investigate whether TBI induces alterations in astrocytes and to unravel the possible protective role of NPY. To address this issue, we used rat primary cultures of cortical astrocytes subjected to an in vitro scratch model that mimics the lacerations that occur during TBI. Our results showed that scratch leads to an increase in cell death, by apoptosis and necrosis, 24h after the injury. Moreover, an increase in cell proliferation was observed after 48h, which can explain the absence of cell death at this time-point. Considering that oxidative stress can cause cell death, we further evaluated the impact of our TBI in vitro model on ROS levels, and it was possible to observe an increase in ROS production by astrocytes. After this characterization, we investigated if NPY and the activation of its receptors could abolish such negative effects. Interestingly, NPY, as well as the agonist of Y1R and Y2R, were able to prevent cell death and ROS formation. Moreover, NPY by itself promoted cell proliferation 24h after the injury. Finally, we also proved that astrocytes express both receptors and that Y1R subtype levels were upregulated by scratch after 48h.Overall, our results show that TBI in vitro scratch model has a negative impact on astrocytes leading to cell death and ROS formation and that NPY system has a protective effect against the deleterious effects of TBI.