Lipopolysaccharide modulates astrocytic S100B secretion: a study in cerebrospinal fluid and astrocyte cultures from rats

<p>Abstract</p> <p>Background</p> <p>Inflammatory responses in brain are primarily mediated by microglia, but growing evidence suggests a crucial importance of astrocytes. S100B, a calcium-binding protein secreted by astrocytes, has properties of a neurotrophic or an inflammatory cytokine. However, it is not known whether primary signals occurring during induction of an inflammatory response (e.g. lipopolysaccharide, LPS) directly modulate S100B.</p> <p>Methods</p> <p>In this work, we evaluated whether S100B levels in cerebrospinal fluid (CSF) and serum of Wistar rats are affected by LPS administered by intraperitoneal (IP) or intracerebroventricular (ICV) injection, as well as whether primary astrocyte cultures respond directly to lipopolysaccharide.</p> <p>Results</p> <p>Our data suggest that S100B secretion in brain tissue is stimulated rapidly and persistently (for at least 24 h) by ICV LPS administration. This increase in CSF S100B was transient when LPS was IP administered. In contrast to these S100B results, we observed an increase in in TNFα levels in serum, but not in CSF, after IP administration of LPS. In isolated astrocytes and in acute hippocampal slices, we observed a direct stimulation of S100B secretion by LPS at a concentration of 10 μg/mL. An involvement of TLR4 was confirmed by use of specific inhibitors. However, lower levels of LPS in astrocyte cultures were able to induce a decrease in S100B secretion after 24 h, without significant change in intracellular content of S100B. In addition, after 24 h exposure to LPS, we observed a decrease in astrocytic glutathione and an increase in astrocytic glial fibrillary acidic protein.</p> <p>Conclusions</p> <p>Together, these data contribute to the understanding of the effects of LPS on astrocytes, particularly on S100B secretion, and help us to interpret cerebrospinal fluid and serum changes for this protein in neuroinflammatory diseases. Moreover, non-brain S100B-expressing tissues may be differentially regulated, since LPS administration did not lead to increased serum levels of S100B.</p

Methylglyoxal Induces Changes in the Glyoxalase System and Impairs Glutamate Uptake Activity in Primary Astrocytes

The impairment of astrocyte functions is associated with diabetes mellitus and other neurodegenerative diseases. Astrocytes have been proposed to be essential cells for neuroprotection against elevated levels of methylglyoxal (MG), a highly reactive aldehyde derived from the glycolytic pathway. MG exposure impairs primary astrocyte viability, as evaluated by different assays, and these cells respond to MG elevation by increasing glyoxalase 1 activity and glutathione levels, which improve cell viability and survival. However, C6 glioma cells have shown strong signs of resistance against MG, without significant changes in the glyoxalase system. Results for aminoguanidine coincubation support the idea that MG toxicity is mediated by glycation. We found a significant decrease in glutamate uptake by astrocytes, without changes in the expression of the major transporters. Carbenoxolone, a nonspecific inhibitor of gap junctions, prevented the cytotoxicity induced by MG in astrocyte cultures. Thus, our data reinforce the idea that astrocyte viability depends on gap junctions and that the impairment induced by MG involves glutamate excitotoxicity. The astrocyte susceptibility to MG emphasizes the importance of this compound in neurodegenerative diseases, where the neuronal damage induced by MG may be aggravated by the commitment of the cells charged with MG clearance

Avaliação de alterações hipocampais e de memória na progressão do diabetes mellitus tipo 2 não associado à obesidade em ratos Wistar

O diabetes mellitus tipo 2 (DM2) é caracterizado por uma hiperglicemia crônica, em resposta a uma resistência tecidual à insulina com posterior prejuízo na sua secreção ao longo da progressão da doença. O DM2 é um fator de risco para diversas alterações centrais e periféricas, entre elas, prejuízos cognitivos e neuroinflamação. A leptina tem apresentado papel importante no funcionamento cerebral, inclusive nos processos de memória e aprendizagem, porém, uma associação direta do DM2 com essa adipocina ainda não está clara, uma vez que seus níveis podem variar de acordo com o peso corporal e grande parte dos indivíduos e modelos animais de DM2 apresentam obesidade. Com isso, o objetivo do presente estudo foi investigar alterações de memória, hipocampais e periféricas durante a progressão do diabetes mellitus tipo 2 e na neuroinflamação aguda em ratos Wistar adultos machos. Para isso, utilizamos um modelo de DM2 em ratos Wistar adultos sem a presença de obesidade, induzido com estreptozotocina (STZ) e nicotinamida (NA), avaliamos alterações de memória, hipocampais e séricas em dois estágios de progressão da doença, um estágio inicial, após 4 semanas, e um estágio avançado, após 16 semanas. Além disso, utilizamos um modelo de neuroinflamação aguda com lipopolissacarídeo (LPS), avaliando os parâmetros após 48 h. Encontramos alterações de memória nos dois modelos utilizados, tanto ao longo do DM2 quanto em resposta a neuroinflamação aguda. Porém, relacionando-se essas alterações à sinalização de leptina os resultados foram diferentes. Nos animais com DM2 induzida, pode-se observar uma redução nos níveis séricos de leptina nos animais com um estágio de doença avançada, porém não há diferença significativa no estágio inicial. Além disso, não houve alteração na sinalização de leptina no hipocampo desses animais. Em contrapartida, 48 h após a indução de neuroinflamação os níveis séricos de leptina se mostraram reduzidos e a concentração de seu receptor foi maior em comparação ao grupo sham. Investigamos, também, a atividade astrocítica no hipocampo dos ratos após a indução de DM2 e de neuroinflamação. A concentração de GFAP no hipocampo dos animais com DM2 se mostrou aumentada apenas no estágio inicial da doença, assim como em resposta a neuroinflamção aguda. Além disso, a proteína S100B no líquor dos animais com DM2 foi reduzida em comparação ao grupo sham, também, apenas no estágio inicial da doença. Por outro lado, a S100B sérica foi reduzida após a indução de neuroinflamação aguda, porém não houve alteração em resposta ao DM2. A concentração de β-amiloide e de proteína tau fosforilada se mostrou aumentada no hipocampo dos ratos com DM2 após 16 semanas, demonstrando uma alteração similar à doença de Alzheimer no estágio avançado da doença. Com isso, concluímos que, o DM2 leva a prejuízos cognitivos mesmo em um estágio inicial da doença e estes estão relacionados com alterações astrocíticas. Já em um estágio avançado, os parâmetros neuronais é que estão alterados. Assim como no modelo de DM2, o modelo agudo de neuroinflamação também ocasionou um prejuízo de memória, o que pode ou não estar relacionados à resposta por leptina em ambos os modelos.Type 2 diabetes mellitus (T2DM) is characterized by chronic hyperglycemia, in response to tissue resistance to insulin with subsequent impairment of insulin secretion over the course of disease. T2DM is a risk factor for several central and peripheral changes, including cognitive impairment and neuroinflammation. Leptin has played an important role in brain functioning, including memory and learning processes, however, a direct association of T2DM with this adipokine is still unclear, since its levels may vary according to body weight and most of the individuals and animal models of T2DM have obesity. Therefore, the aim of the present study was to investigate memory, hippocampal and peripheral alterations during the progression of type 2 diabetes mellitus and in acute neuroinflammation in adult male Wistar rats. For this, we used a T2DM model in adult Wistar rats without the presence of obesity, induced by streptozotocin (STZ) and nicotinamide(NA), we evaluated memory, hippocampal and serum alterations in two stages of diabetes progression, an initial stage, after 4 weeks, and an advanced stage after 16 weeks. Furthermore, we used a model of acute neuroinflammation with lipopolysaccharide (LPS), evaluating the parameters after 48 h. We found memory alterations in two models, during T2DM progression and in response to acute neuroinflammation. However, these results were not related to leptin signalling. In animals with induced T2DM, a reduction in serum leptin levels can be observed in animals with an advanced disease stage, but there is no significant difference in the initial stage. Furthermore, there was no change in leptin signaling in the hippocampus of these animals. On the other hand, 48 h after neuroinflammation induction, serum leptin levels were reduced and the concentration of it receptor was higher compared to the sham group. We also investigated the astrocytic activity in the hippocampus of rats after induction of T2DM and neuroinflammation. The concentration of GFAP in hippocampus of animals with T2DM was increased only in the initial stage of the disease, as well as in response to acute neuroinflammation. Furthermore, the S100B protein in the CSF of animals with T2DM was reduced compared to the sham group, also only in the initial stage of the disease. On the other hand, serum S100B was reduced after the induction of acute neuroinflammation, but there was no change in response to T2DM. The concentration of β- amyloid and phosphorylated tau protein was increased in the hippocampus of rats with DM2 after 16 weeks, demonstrating an alteration similar to Alzheimer's disease in the advanced stage of the disease. Thus, we conclude that T2DM leads to cognitive impairments even an early stage of disease and these are related to astrocytic changes. Already in an advanced stage, neuronal parameters are altered. As in T2DM model, the acute model of neuroinflammation also caused memory impairment, which may or may not be related to the leptin response in both models

A leptina e seu papel no sistema nervoso central

A leptina é um hormônio peptídico codificado pelo gene ob e foi caracterizada primeiramente pela sua função na regulação da homeostase energética. O principal local de produção de leptina é o tecido adiposo, porém há evidências de sua produção em outros tecidos. Os níveis circulantes desse hormônio são proporcionais à quantidade de massa gorda e podem variar em resposta a muitos fatores, como o ciclo alimentação / jejum, entre outros. A leptina age via receptores transmembrana os quais podem ter seis isoformas diferentes. A sinalização da leptina se dá principalmente por sua ligação ao receptor de isoforma longa, o LRb, agindo através de diferentes vias de sinalização. O principal papel da leptina no Sistema Nervoso Central é na regulação da homeostase energética, onde age sobre os agentes anorexígenos e orexígenos para gerar um sinal de saciedade. Este hormônio pode ter papel importante também na regulação da homeostase da glicose, excitabilidade neuronal, aprendizagem e memória e pode ser neuroprotetor em diversas situações entre elas a Doença de Alzheimer. Em contrapartida, níveis elevados deste hormônio, como na obesidade, podem levar a resistência central a leptina. Pode-se concluir com o presente trabalho que a leptina pode ter diversas funções no Sistema Nervoso Central além do modelo homeostático inicialmente proposto. Além disso, esse hormônio pode ser uma alternativa futura na terapêutica de doenças em nível de Sistema Nervoso Central.Leptin is a peptide hormone encoded by the ob gene and is characterized primarily by its function in the regulation of energy homeostasis. The main site of leptin production is adipose tissue, but there are evidences of its production in other tissues. Circulating levels of this hormone are proportional to the amount of fat mass and may vary in response to many factors, such as the cycle feeding / fasting, among others. Leptin acts via transmembrane receptors which can have six different isoforms. The leptin signaling is primarily by its binding to the long receptor isoform, LRb, acting through different signaling pathways. The main role of leptin in the central nervous system is the regulation of energy homeostasis, which acts on the orexigenic and anorexigenic agents to generate a satiety signal. This hormone may also play a role in the regulation of glucose homeostasis, neuronal excitability, learning and memory and may be neuroprotective in a variety of situations including Alzheimer's Disease. In contrast, high levels of this hormone, as in obesity, may lead to central leptin resistance. In conclusion, leptin may have several functions in the central nervous system beyond the homeostatic model initially proposed; moreover, this hormone may be a future alternative therapy of diseases of the central nervous system

A leptina e seu papel no sistema nervoso central

A leptina é um hormônio peptídico codificado pelo gene ob e foi caracterizada primeiramente pela sua função na regulação da homeostase energética. O principal local de produção de leptina é o tecido adiposo, porém há evidências de sua produção em outros tecidos. Os níveis circulantes desse hormônio são proporcionais à quantidade de massa gorda e podem variar em resposta a muitos fatores, como o ciclo alimentação / jejum, entre outros. A leptina age via receptores transmembrana os quais podem ter seis isoformas diferentes. A sinalização da leptina se dá principalmente por sua ligação ao receptor de isoforma longa, o LRb, agindo através de diferentes vias de sinalização. O principal papel da leptina no Sistema Nervoso Central é na regulação da homeostase energética, onde age sobre os agentes anorexígenos e orexígenos para gerar um sinal de saciedade. Este hormônio pode ter papel importante também na regulação da homeostase da glicose, excitabilidade neuronal, aprendizagem e memória e pode ser neuroprotetor em diversas situações entre elas a Doença de Alzheimer. Em contrapartida, níveis elevados deste hormônio, como na obesidade, podem levar a resistência central a leptina. Pode-se concluir com o presente trabalho que a leptina pode ter diversas funções no Sistema Nervoso Central além do modelo homeostático inicialmente proposto. Além disso, esse hormônio pode ser uma alternativa futura na terapêutica de doenças em nível de Sistema Nervoso Central.Leptin is a peptide hormone encoded by the ob gene and is characterized primarily by its function in the regulation of energy homeostasis. The main site of leptin production is adipose tissue, but there are evidences of its production in other tissues. Circulating levels of this hormone are proportional to the amount of fat mass and may vary in response to many factors, such as the cycle feeding / fasting, among others. Leptin acts via transmembrane receptors which can have six different isoforms. The leptin signaling is primarily by its binding to the long receptor isoform, LRb, acting through different signaling pathways. The main role of leptin in the central nervous system is the regulation of energy homeostasis, which acts on the orexigenic and anorexigenic agents to generate a satiety signal. This hormone may also play a role in the regulation of glucose homeostasis, neuronal excitability, learning and memory and may be neuroprotective in a variety of situations including Alzheimer's Disease. In contrast, high levels of this hormone, as in obesity, may lead to central leptin resistance. In conclusion, leptin may have several functions in the central nervous system beyond the homeostatic model initially proposed; moreover, this hormone may be a future alternative therapy of diseases of the central nervous system

O lipopolissacarídeo altera a comunicação da leptina em hipocampo de ratos wistar

A neuroinflamação tem sido demonstrada como um fator presente em diversas doenças neurodegenerativas, como a doença de Alzheimer e doença de Parkinson. O lipopolissacarídeo (LPS) é uma molécula constituinte da membrana de bactérias gram-negativas e, após a ligação desta molécula ao receptor TLR4 ocorre a ativação de diversas vias de sinalização as quais aumentam a produção e secreção de moléculas pró-inflamatórias. Devido a sua alta imunoatividade o LPS tem sido utilizado em modelos de inflamação in vivo e in vitro. O LPS também parece ser capaz de modular, através de uma inflamação sistêmica, a resposta da leptina. A leptina é um hormônio peptídico secretado principalmente pelo tecido adiposo, esta adipocina tem sua ação mediada pela ligação ao receptor ObR, o qual quando ativado pode induzir a ativação de diversas vias de sinalização, levando, por exemplo a produção de SOCS3, que age como um fator de regulação negativo da sinalização pelo ObR. A função mais conhecida e estudada da leptina é na regulação do controle alimentar, onde após a ingestão de alimentos a leptina age no hipotálamo sinalizando a sensação saciedade. Entretanto, já há evidências da presença de seu receptor em outras áreas cerebrais, como no hipocampo, onde esta adipocina pode ter um papel na regulação da memória e aprendizagem. Além disso, também tem sido implicada como neuroprotetora em doenças neurodegenerativas, como as doenças de Alzheimer e Parkinson, sendo a leptina capaz de melhorar tanto aspectos moleculares quanto comportamentais destas patologias. A leptina tem se mostrado importante na regulação da resposta imune, podendo servir como uma molécula de sinalização de uma inflamação sistêmica para o cérebro. A neuroinflamação tem sido implicada como um dos fatores que podem levar a resistência à leptina no hipotálamo. Tendo este hormônio ações distintas entre os tecidos, nós investigamos como a neuroinflamação induzida por injeção ICV de LPS poderia modular a resposta à leptina no hipocampo. Além disso, foram avaliados parâmetros inflamatórios centrais e periféricos e também a resposta astrocítica à neuroinflamação pela dosagem de proteínas características desse tipo celular, todos os parâmetros foram analisados após 48 horas da indução do modelo. Nosso estudo não encontrou diferença no imunoconteúdo da leptina no hipocampo, porém houve um aumento no conteúdo proteico do receptor ObR neste tecido nos ratos tratados e não ocorreu alteração significativa nos níveis intracelulares de SOCS3. Nós encontramos uma diminuição nos níveis séricos de leptina e da proteína S100B nos ratos do grupo LPS. A expressão proteica das citocinas pró-inflamatórias IL-1β e TNF-α foram alterados no hipocampo após a injeção ICV de LPS, tendo um aumento nos níveis intracelulares de IL-1 β e uma diminuição de TNF-α. A proteína glial fibrilar ácida (GFAP) teve um aumento em seu imunoconteúdo no hipocampo dos ratos tratados, em contrapartida os níveis de S100B intracelulares não foram alterados significativamente. Os níveis séricos de TNF-α tiveram um aumento em resposta à neuroinflamação induzida, além disso, os ratos que receberam injeção ICV de LPS mostraram uma maior perda de peso em relação aos ratos que receberam apenas veículo. Nossos dados mostram que a neuroinflamação é capaz de modular a resposta hipocampal e periférica de leptina, colaborando assim para uma melhor compreensão do papel da sinalização por leptina na neuroinflamação e possivelmente nas doenças neurodegenerativas.Neuroinflammation has been established as a factor present in various neurodegenerative diseases such as Alzheimer's and Parkinson's disease. LPS is a constituent molecule of the membrane of gram-negative bacteria and, after binding of this molecule in the TLR4 occurs activation of several signaling pathways which increase the production and secretion of pro-inflammatory molecules, due to their high immunoactivity LPS has been used in models of inflammation in vivo and in vitro. LPS also seems to be able to modulate, through a systemic inflammation, the response of leptin. Leptin is a peptide hormone secreted mainly by the adipose tissue, that adipokine has its action mediated by binding to the ObRb receptor which when activated can induce activation of several signaling pathways, leading to, for example, production of SOCS3 which acts as a negative feedback on ObRb. The most studied and known function of leptin is in the regulation of food control, where after the food intake leptin signaling in the hypothalamus acts feeling of hunger. However, there is evidence of the presence of its receptor in other brain regions such as hippocampus, where this may adipokine play a role in the regulation of memory and learning. Furthermore, as has also been implicated as neuroprotective in neurodegenerative diseases such as Alzheimer’s and Parkinson’s diseases, and leptin can improve both molecular and behavioral aspects of these diseases. Leptin has been shown to be important in regulating the immune response, may serve as a signaling molecule to a systemic inflammation of the brain. The neuroinflammation has been implicated as a factor that can lead to leptin resistance in the hypothalamus. As this hormone have distinct actions between tissues, we investigated as a neuroinflammation induced by ICV injection of LPS could modulate the response to leptin in the hippocampus. In addition, we assessed the central and peripheral inflammatory parameters, and also the astrocytic response to neuroinflammation by measuring protein characteristics of this cell type, all parameters were analyzed after 48 hours of induction model. Our study found no difference in leptin immunocontent in the hippocampus, but there was an increase in the protein content of the ObR receptor in this tissue in the treated rats and no significant change in intracellular levels of SOCS3. We found a decrease in serum leptin and S100B protein in rats of LPS group. Protein expression of pro-inflammatory cytokines IL-1β and TNF-α were changed in the hippocampus after ICV injection of LPS, with an increase in intracellular levels of IL-1 β and TNF-α decreased. GFAP had an increase in their immunocontent in hippocampus of rats treated, in contrast to the intracellular S100B levels were not significantly altered. The TNF-α serum levels were increased in response to induced neuroinflammation, in addition, rats receiving ICV injection of LPS showed greater weight loss compared to rats receiving vehicle only. Our data demonstrate that neuroinflammation is capable of modulating hippocampal and peripheral leptin response, thus contributing to a better understanding of the role of leptin signaling in the neuroinflammation and possibly in the neurodegenerative diseases