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Abstract(s)
Stroke remains one of the leading causes of death and disability worldwide. Focal ischemic cortical stroke results in tissue demise in the infarct core and neuronal dysfunction in areas surrounding the core. The loss of neuronal function triggers specific neuroanatomical and neurophysiological changes in both adjacent and remote areas during the first weeks after stroke onset. During this critical time window, there is a profound reorganization of cortical maps that is accompanied with spontaneous neuroplasticity, however, with limited and partially aberrant recovery of motor function. Induced plasticity with external interventions such as rehabilitation, facilitates recovery and promotes improvement of lost neurological function, albeit to a limited extent. Despite much effort has been spent in developing adjuvant therapies to foster spontaneous underlying endogenous mechanisms, none of the treatment attempts reached clinical use. Thus, rehabilitation remains the only evidence-based long-term treatment in stroke survivors.
We hypothesized that by targeting thyroid hormones (TH) and their carrier protein transthyretin (TTR) might be a promising therapeutic strategy to foster endogenous mechanisms of neurorepair. TH are of fundamental importance for brain development and essential factors to warrant brain functions throughout life. In particular, the active form 3,5,3’-triiodo-L-thyronine (T3) is involved in the regulation of neuronal plasticity, stimulation of angiogenesis and neurogenesis as well as modulation of the dynamics of cytoskeletal elements and intracellular transport processes. These mechanisms overlap with those that have been identified to enhance recovery of lost neurological functions during the first weeks and months after ischemic stroke. Independent of its role as a TH carrier protein, TTR has been studied as a neuroprotective molecule in the brain, which has been emphasized as promising target to enhance lost neurological functions during the recovery phase after stroke.
In the experimental setting, we investigated if TH and TTR are involved in the reorganization of cortical neuronal function after stroke. We found that administration of T3 50 μg/kg during the first two weeks after photothrombotic stroke in mice significantly enhanced functional recovery of lost neurological function without affecting infarct size. Motor improvement was accompanied by mechanisms of homeostatic regulation in the peri-infarct area in favor for an increased excitability. The mechanisms involved an increased level of the AMPA receptor subunit glutamate receptor 2 and synaptotagmin 1 and 2, which are pre-synaptic vesicles involved in neurotransmitter release. In addition, T3 increased dendritic spine density of principal neurons in the peri-infarct motor cortex. Moreover, we have shown that T3 regulates glutamatergic neurotransmission in cortical glutamatergic neurons. In parallel, T3 suppressed tonic GABAergic signaling in the peri-infarct tissue shown by a reduced number of parvalbumin positive neurons activity and decreased glutamic acid decarboxylase 65/67 levels. Despite TTR has been demonstrated as neuroprotective after ischemic stroke, we could not find ttr or TTR protein expression in the infarct core and peri-infarct area, and it seems unlikely that TTR is involved in mechanisms of tissue reorganization following PT during the recovery phase after stroke.
Our results indicate that T3 modulates excitatory and inhibitory neurotransmission relevant for plasticity processes in the postischemic brain. T3 administration during the critical period for brain recovery regulates mechanisms that balance excitation – inhibition in favor of excitation. Further understanding and target those mechanisms might be exploited in future therapies to enhance functional recovery in stroke patients.
O acidente vascular cerebral (AVC) continua a representar uma das maiores causas de morte e comorbidade a nível mundial, sendo o AVC isquémico o tipo mais comum, que representa 87% dos casos. Em Portugal o AVC é a primeira causa de morte e incapacidade em pessoas idosas. Os sintomas são variáveis de acordo com a região cerebral afetada e com e extensão do AVC, no entanto, a hemiparesia é experienciada por cerca de 75% dos doentes. A causa mais frequente de um AVC isquémico deve-se à obstrução do fluxo sanguíneo numa artéria cerebral devido à oclusão por um trombo, geralmente um ateroma ou um coágulo, ou por um êmbolo proveniente do coração ou das artérias carótidas. A extensão dos danos depende do tempo em que as células cerebrais ficam privadas de oxigénio e glicose, ou seja, em ambiente de hipóxia. No centro do enfarte, onde o fluxo sanguíneo é inexistente, há uma rápida degeneração do tecido cerebral e morte celular. A morte celular deve-se, principalmente, ao aumento do influxo de cálcio, resultante da excitotoxicidade devido a excesso de glutamato extracelular e ativação excessiva dos canais de glutamato N-metilo-D-aspartato (NMDA) e ácido alfa-amino-3-hidroxi-5-metil-4-isoxazol-propiónico (AMPA). Todavia, na região adjacente ao centro do enfarte ou na penumbra, os danos são menores e potencialmente reversíveis, devido ao fluxo sanguíneo colateral. As primeiras 4 horas e 30 minutos após o início de um AVC são cruciais para reduzir os efeitos da excitotoxicidade, edema e inflamação aguda. O tratamento com agentes fibrinolíticos ou trombectomia durante esse período após um AVC é eficaz, na medida em que restabelece o fluxo sanguíneo e previne que as células cerebrais sofram danos irreversíveis. Porém, uma minoria de doentes é elegível a este tipo de tratamento na fase aguda, o que limita a sua aplicabilidade. Atualmente, o tratamento de um AVC consiste na recanalização dos vasos obstruídos se possível, e a longo prazo na reabilitação do doente. Após um AVC, o processo de recuperação funcional ocorre com maiores progressos durante as primeiras quatro semanas e prolonga-se durante meses a anos. Durante este período, o cérebro adota diversos mecanismos de reorganização anatómica e fisiológica espontânea nas áreas subjacentes ao centro do enfarte e na região contralateral, ou seja, neuroplasticidade espontânea. No entanto, a recuperação neurológica espontânea é muito limitada, na medida em que o doente recupera apenas parcialmente algumas funções motoras. Todavia, a recuperação pode ser otimizada através de estímulos terapêuticos. Muitos esforços têm sido feitos no desenvolvimento de terapias adjuvantes que promovam a neuroplasticidade, contudo, nenhuma foi ainda aprovada em ensaios clínicos. De momento, a abordagem clínica a longo prazo em sobreviventes de um AVC continua a ser a reabilitação. As hormonas da tiroide (TH) e a sua proteína de transporte, transtirretina (TTR), são potenciais alvos terapêuticos para estimular os mecanismos endógenos de reparação neuronal. As TH desempenham funções essenciais durante o desenvolvimento cerebral e na vida adulta. Em particular a forma ativa 3,5,3’-triiodo-L-tironina (T3) é crucial na regulação de mecanismos de plasticidade neuronal, estimulação da angiogénese e neurogénese, na modulação da função de componentes do citoesqueleto e em processos de transporte intracelular. Estes mecanismos estão também presentes durante o processo de recuperação e estimulam a recuperação da função motora durante as primeiras semanas a meses após um AVC. Independentemente da sua função como proteína de transporte, a TTR tem sido estudada como uma molécula neuroprotetora no cérebro e posta em evidência como alvo promissor durante a fase de recuperação após um AVC, de forma a melhorar as funções neurológicas perdidas. Os ensaios experimentais apresentados nesta tese tiveram como objetivo investigar o papel das TH e da TTR na reorganização da função neuronal após fototrombose (PT). A administração de T3 a 50 μg/kg durante as primeiras duas semanas após a indução experimental de AVC, realizada por PT em murganhos, melhorou significativamente a recuperação da função neurológica perdida sem afetar o volume do enfarte. Observámos uma recuperação da função motora, acompanhada por mecanismos de regulação homeostática na periferia do enfarte, em favor da excitabilidade. A nível celular e estrutural demonstramos que a T3 tem efeitos modulatórios que atuam a diferentes escalas temporais e locais, de forma a assegurar uma eficiente neurotransmissão sináptica. Mostrámos também que a administração a longo prazo da T3, após PT, induz alterações estruturais ao aumentar a densidade das espículas dendríticas na periferia do enfarte e na região contralateral. A eficácia da neurotransmissão sináptica parece ter sido aumentada, após administração da T3, devido ao aumento dos níveis de sinaptotagmina 1 e 2, que são proteínas vesiculares pré-sinápticas envolvidas na libertação de neurotransmissores e ao aumento dos níveis da subunidade 2 dos recetores de glutamato AMPA, na periferia do enfarte. A administração da T3 também diminui a ação inibitória do neurotransmissor ácido gama-aminobutírico (GABA) na periferia do enfarte devido à redução da atividade dos neurónios que expressam a parvalbumina e à redução dos níveis da descarboxilase do glutamato (GAD) 65/67. Além disso, mostrámos que a T3 modula, in vitro, propriedades intrínsecas da membrana neuronal, com o equilíbrio das correntes dos recetores ionotrópicos ativados pelo glutamato e diminuição dos níveis de sinaptotagmina em neurónios submetidos a privação de oxigénio e glicose. Curiosamente, encontrámos níveis aumentados do recetor TRβ1, que medeia as ações da T3, no centro do enfarte de amostras post-mortem de doentes que sofreram um AVC. Apesar do seu já demonstrado efeito neuroprotetor, não encontramos expressão do gene nem da proteína TTR no córtex cerebral de murganhos nas duas semanas após PT e, temos dúvidas que a TTR participe em mecanismos de recuperação motora após um AVC. Em conclusão, os nossos resultados indicam que a T3 modula a neurotransmissão, excitatória e inibitória, relevante para os processos de plasticidade neuronal após um AVC. A administração da T3 durante o período crítico para a recuperação regula mecanismos que equilibram o rácio excitação – inibição, em favor da excitação. Nesse contexto, os resultados apresentados parecem muito promissores, no sentido de serem explorados em futuros ensaios clínicos, de forma a desenvolver novas terapias para melhorar a recuperação motora em doentes que sofreram um AVC.
O acidente vascular cerebral (AVC) continua a representar uma das maiores causas de morte e comorbidade a nível mundial, sendo o AVC isquémico o tipo mais comum, que representa 87% dos casos. Em Portugal o AVC é a primeira causa de morte e incapacidade em pessoas idosas. Os sintomas são variáveis de acordo com a região cerebral afetada e com e extensão do AVC, no entanto, a hemiparesia é experienciada por cerca de 75% dos doentes. A causa mais frequente de um AVC isquémico deve-se à obstrução do fluxo sanguíneo numa artéria cerebral devido à oclusão por um trombo, geralmente um ateroma ou um coágulo, ou por um êmbolo proveniente do coração ou das artérias carótidas. A extensão dos danos depende do tempo em que as células cerebrais ficam privadas de oxigénio e glicose, ou seja, em ambiente de hipóxia. No centro do enfarte, onde o fluxo sanguíneo é inexistente, há uma rápida degeneração do tecido cerebral e morte celular. A morte celular deve-se, principalmente, ao aumento do influxo de cálcio, resultante da excitotoxicidade devido a excesso de glutamato extracelular e ativação excessiva dos canais de glutamato N-metilo-D-aspartato (NMDA) e ácido alfa-amino-3-hidroxi-5-metil-4-isoxazol-propiónico (AMPA). Todavia, na região adjacente ao centro do enfarte ou na penumbra, os danos são menores e potencialmente reversíveis, devido ao fluxo sanguíneo colateral. As primeiras 4 horas e 30 minutos após o início de um AVC são cruciais para reduzir os efeitos da excitotoxicidade, edema e inflamação aguda. O tratamento com agentes fibrinolíticos ou trombectomia durante esse período após um AVC é eficaz, na medida em que restabelece o fluxo sanguíneo e previne que as células cerebrais sofram danos irreversíveis. Porém, uma minoria de doentes é elegível a este tipo de tratamento na fase aguda, o que limita a sua aplicabilidade. Atualmente, o tratamento de um AVC consiste na recanalização dos vasos obstruídos se possível, e a longo prazo na reabilitação do doente. Após um AVC, o processo de recuperação funcional ocorre com maiores progressos durante as primeiras quatro semanas e prolonga-se durante meses a anos. Durante este período, o cérebro adota diversos mecanismos de reorganização anatómica e fisiológica espontânea nas áreas subjacentes ao centro do enfarte e na região contralateral, ou seja, neuroplasticidade espontânea. No entanto, a recuperação neurológica espontânea é muito limitada, na medida em que o doente recupera apenas parcialmente algumas funções motoras. Todavia, a recuperação pode ser otimizada através de estímulos terapêuticos. Muitos esforços têm sido feitos no desenvolvimento de terapias adjuvantes que promovam a neuroplasticidade, contudo, nenhuma foi ainda aprovada em ensaios clínicos. De momento, a abordagem clínica a longo prazo em sobreviventes de um AVC continua a ser a reabilitação. As hormonas da tiroide (TH) e a sua proteína de transporte, transtirretina (TTR), são potenciais alvos terapêuticos para estimular os mecanismos endógenos de reparação neuronal. As TH desempenham funções essenciais durante o desenvolvimento cerebral e na vida adulta. Em particular a forma ativa 3,5,3’-triiodo-L-tironina (T3) é crucial na regulação de mecanismos de plasticidade neuronal, estimulação da angiogénese e neurogénese, na modulação da função de componentes do citoesqueleto e em processos de transporte intracelular. Estes mecanismos estão também presentes durante o processo de recuperação e estimulam a recuperação da função motora durante as primeiras semanas a meses após um AVC. Independentemente da sua função como proteína de transporte, a TTR tem sido estudada como uma molécula neuroprotetora no cérebro e posta em evidência como alvo promissor durante a fase de recuperação após um AVC, de forma a melhorar as funções neurológicas perdidas. Os ensaios experimentais apresentados nesta tese tiveram como objetivo investigar o papel das TH e da TTR na reorganização da função neuronal após fototrombose (PT). A administração de T3 a 50 μg/kg durante as primeiras duas semanas após a indução experimental de AVC, realizada por PT em murganhos, melhorou significativamente a recuperação da função neurológica perdida sem afetar o volume do enfarte. Observámos uma recuperação da função motora, acompanhada por mecanismos de regulação homeostática na periferia do enfarte, em favor da excitabilidade. A nível celular e estrutural demonstramos que a T3 tem efeitos modulatórios que atuam a diferentes escalas temporais e locais, de forma a assegurar uma eficiente neurotransmissão sináptica. Mostrámos também que a administração a longo prazo da T3, após PT, induz alterações estruturais ao aumentar a densidade das espículas dendríticas na periferia do enfarte e na região contralateral. A eficácia da neurotransmissão sináptica parece ter sido aumentada, após administração da T3, devido ao aumento dos níveis de sinaptotagmina 1 e 2, que são proteínas vesiculares pré-sinápticas envolvidas na libertação de neurotransmissores e ao aumento dos níveis da subunidade 2 dos recetores de glutamato AMPA, na periferia do enfarte. A administração da T3 também diminui a ação inibitória do neurotransmissor ácido gama-aminobutírico (GABA) na periferia do enfarte devido à redução da atividade dos neurónios que expressam a parvalbumina e à redução dos níveis da descarboxilase do glutamato (GAD) 65/67. Além disso, mostrámos que a T3 modula, in vitro, propriedades intrínsecas da membrana neuronal, com o equilíbrio das correntes dos recetores ionotrópicos ativados pelo glutamato e diminuição dos níveis de sinaptotagmina em neurónios submetidos a privação de oxigénio e glicose. Curiosamente, encontrámos níveis aumentados do recetor TRβ1, que medeia as ações da T3, no centro do enfarte de amostras post-mortem de doentes que sofreram um AVC. Apesar do seu já demonstrado efeito neuroprotetor, não encontramos expressão do gene nem da proteína TTR no córtex cerebral de murganhos nas duas semanas após PT e, temos dúvidas que a TTR participe em mecanismos de recuperação motora após um AVC. Em conclusão, os nossos resultados indicam que a T3 modula a neurotransmissão, excitatória e inibitória, relevante para os processos de plasticidade neuronal após um AVC. A administração da T3 durante o período crítico para a recuperação regula mecanismos que equilibram o rácio excitação – inibição, em favor da excitação. Nesse contexto, os resultados apresentados parecem muito promissores, no sentido de serem explorados em futuros ensaios clínicos, de forma a desenvolver novas terapias para melhorar a recuperação motora em doentes que sofreram um AVC.
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Acidente vascular cerebral isquémico - Recuperação de lesões - Hormonas da tiróide Acidente vascular cerebral isquémico - Recuperação de lesões - Transtirretina