Sex-dependent effect on mitochondrial and oxidative stress parameters in the hypothalamus induced by prepubertal stress and access to high fat diet

Objective: Some factors related to lifestyle, including stress and high-fat diet (HFD) consumption, are associated with higher prevalence of obesity. These factors can lead to an imbalance between ROS production and antioxidant defenses and to mitochondrial dysfunctions, which, in turn, could cause metabolic impairments, favoring the development of obesity. However, little is known about the interplay between these factors, particularly at early ages, and whether long-term sex-specific changes may occur. Here, we evaluated whether social isolation during the prepubertal period only, associated or not with chronic HFD, can exert long-term effects on oxidative status parameters and on mitochondrial function in the whole hypothalamus, in a sex-specific manner. Methods: Wistar male and female rats were divided into two groups (receiving standard chow or standard chow + HFD), that were subdivided into exposed or not to social isolation during the prepubertal period. Oxidative status parameters, and mitochondrial function were evaluated in the hypothalamus in the adult age. Results: Regarding antioxidant enzymes activities, HFD decreased GPx activity in the hypothalamus, while increasing SOD activity in females. Females also presented increased total thiols; however, non-protein thiols were lower. Main effects of stress and HFD were observed in TBARS levels in males, with both factors decreasing this parameter. Additionally, HFD increased complex IV activity, and decreased mitochondrial mass in females. Complex I-III activity was higher in males compared to females. Conclusion: Stress during the prepubertal period and chronic consumption of HFD had persistent sex-specific effects on oxidative status, as well as on its consequences for the cell and for mitochondrial function. HFD had more detrimental effects on females, inducing oxidative imbalance, which resulted in damage to the mitochondria. This HFD-induced imbalance may be related to the development of obesity

Hypoxia-inducible factor-1α (HIF-1α) inhibition impairs retinoic acid-induced differentiation in SH-SY5Y neuroblastoma cells, leading to reduced neurite length and diminished gene expression related to cell differentiation

Neuroblastoma is the most common extracranial solid tumour in childhood, originated from cells of the neural crest during the development of the Sympathetic Nervous System. Retinoids are vitamin-A derived differentiating agents utilised to avoid disease resurgence in high-risk neuroblastoma treatment. Several studies indicate that hypoxia—a common feature of the tumoural environment—is a key player in cell differentiation and proliferation. Hypoxia leads to the accumulation of the hypoxia-inducible factor-1α (HIF-1α). This work aims to investigate the effects of the selective inhibition of HIF-1α on the differentiation induced by retinoic acid in human neuroblastoma cells from the SH-SY5Y lineage to clarify its role in cell differentiation. Our results indicate that HIF-1α inhibition impairs RA-induced differentiation by reducing neuron-like phenotype and diminished immunolabeling and expression of differentiation markers

Animal models of metabolic disorders in the study of neurodegenerative diseases : an overview

The incidence of metabolic disorders, as well as of neurodegenerative diseases—mainly the sporadic forms of Alzheimer’s and Parkinson’s disease—are increasing worldwide. Notably, obesity, diabetes, and hypercholesterolemia have been indicated as early risk factors for sporadic forms of Alzheimer’s and Parkinson’s disease. These conditions share a range of molecular and cellular features, including protein aggregation, oxidative stress, neuroinflammation, and blood-brain barrier dysfunction, all of which contribute to neuronal death and cognitive impairment. Rodent models of obesity, diabetes, and hypercholesterolemia exhibit all the hallmarks of these degenerative diseases, and represent an interesting approach to the study of the phenotypic features and pathogenic mechanisms of neurodegenerative disorders. We review the main pathological aspects of Alzheimer’s and Parkinson’s disease as summarized in rodent models of obesity, diabetes, and hypercholesterolemia

Early life stress interacts with the diet deficiency of Omega-3 fatty acids during the life course increasing the metabolic vulnerability in adult rats

Early stress can cause metabolic disorders in adulthood. Omega-3 polyunsaturated fatty acids (n-3 PUFAs) deficiency has also been linked to the development of metabolic disorders. The aim of this study was to assess whether an early stressful event such as maternal separation interacts with the nutritional availability of n-3 PUFAs during the life course on metabolic aspects. Litters were randomized into: maternal separated (MS) and non-handled (NH). The MS group was removed from their dam for 3 hours per day and put in an incubator at 32uC on days 1u to 10u postnatal (PND). On PND 35, males were subdivided into diets that were adequate or deficient in n-3 PUFAs, and this intervention was applied during the subsequent 15 weeks. Animal’s body weight and food consumption were measured weekly, and at the end of the treatment tissues were collected. MS was associated with increased food intake (p = 0.047) and weight gain (p = 0.012), but no differences were found in the NPY hypothalamic content between the groups. MS rats had also increased deposition of abdominal fat (p,0.001) and plasma triglycerides (p = 0.018) when compared to the NH group. Interactions between early life stress and n-3 PUFAs deficiency were found in plasma insulin (p = 0.033), HOMA index (p = 0.049), leptin (p = 0.010) and liver PEPCK expression (p = 0.050), in which the metabolic vulnerability in the MS group was aggravated by the n-3 PUFAs deficient diet exposure. This was associated with specific alterations in the peripheral fatty acid profile. Variations in the neonatal environment interact with nutritional aspects during the life course, such as n-3 PUFAs diet content, and persistently alter the metabolic vulnerability in adulthood

Hippocampal nitric oxide production : investigation of the role of neuronal nitric oxide synthase in the development of anxiety-like behaviors in animals subjected to neonatal stress

Introdução: estudos indicam que o trauma precoce e o sistema serotoninérgico estão relacionados ao desenvolvimento de ansiedade. Esta relação poderia ser mediada pela enzima óxido nítrico sintase neuronal (nNOS), que tem papel importante no funcionamento dos receptores de serotonina. Objetivo: investigar, através da mensuração do óxido nítrico (NO) no hipocampo, o possível envolvimento da nNOS no desenvolvimento de ansiedade em um modelo animal de adversidade no início da vida, baseado na qualidade do cuidado materno. Métodos: ao segundo dia de vida, genitoras Wistar e suas ninhadas foram divididas em dois grupos: intervenção, com redução do material para a confecção do ninho, ou controle. O comportamento materno foi observado do dia 1 ao dia 9 de vida. Na vida adulta, realizaramse testes comportamentais e determinaram-se os níveis hipocampais de NO, através da mensuração de seus produtos de degradação. Resultados: observou-se um maior comportamento do tipo ansioso no grupo intervenção, cujas genitoras apresentaram maior contato de baixa qualidade com seus filhotes. Nos machos, o cuidado materno de baixa qualidade correlacionou-se negativamente com o tempo no braço aberto e a frequência de mergulhos (r=-0,4; p=0,03) avaliados no labirinto em cruz elevado. O comportamento materno de lamber os filhotes correlacionou-se com a frequência de mergulhos em ambos os sexos (r=0,5; p<0,001). A quantidade de NO no hipocampo não diferiu entre os grupos. Conclusão: uma maior atividade da nNOS não parece estar envolvida no comportamento ansioso observado neste modelo animal, no entanto a relação mãe-filhote, alterada por um ambiente neonatal adverso, teve impacto sobre o comportamento ansioso de forma sexo específica.Background: studies have shown that an adverse early life environment and the serotonergic system are related to the development of anxiety. This association could be mediated by neuronal nitric oxide synthase (nNOS), an enzyme that plays an important role in serotonin receptor functioning. Aim: to investigate the possible role of nNOS in the development of anxiety by measuring hippocampal nitric oxide (NO) in an animal model of neonatal stress, based on the quality of maternal care. Methods: on the second day of life, Wistar dams and their litters where divided in two groups: intervention, with limited access to nesting material, or control. Maternal behavior was observed from day 1 to 9 of life. In adult life, behavioral tests were performed and hippocampal NO levels were determined by measuring its degradation products. Results: there was more frequent anxiety-like behavior in the intervention group, whose dams showed low quality contact with their pups more often. In males, low quality maternal care was negatively correlated with time spent in open arms and frequency of head dips (r=-0.4; p=0.03) assessed using an elevated plus maze. Licking and grooming score was correlated with frequency of head dips in both sexes (r=0.5; p<0.001). Hippocampal NO levels were not different between groups (p=0.992). Conclusion: a higher nNOS activity does not seem to be involved in anxiety-like behavior observed in this animal model, however the relationship between dam and pup, modified by an adverse early life environment, had a different impact on anxiety behavior between sexes

Produção de óxido nítrico no hipocampo: investigação do envolvimento da óxido nítrico sintase neuronal no desenvolvimento de comportamentos ansiosos em animais submetidos a estresse neonatal

Introdução: Estudos indicam que o trauma precoce e o sistema serotoninérgico estão relacionados ao desenvolvimento de ansiedade. Esta relação poderia ser mediada pela enzima óxido nítrico sintase neuronal (nNOS), que tem papel importante no funcionamento dos receptores de serotonina. Objetivo: Investigar, através da mensuração do óxido nítrico (NO) no hipocampo, o possível envolvimento da nNOS no desenvolvimento de ansiedade em um modelo animal de adversidade no início da vida, baseado na qualidade do cuidado materno.Métodos: Ao segundo dia de vida, genitoras Wistar e suas ninhadas foram divididas em dois grupos: intervenção, com redução do material para a confecção do ninho, ou controle. O comportamento materno foi observado do dia 1 ao dia 9 de vida. Na vida adulta, realizaram-se testes comportamentais e determinaram-se os níveis hipocampais de NO, através da mensuração de seus produtos de degradação. Resultados: Observou-se um maior comportamento do tipo ansioso no grupo intervenção, cujas genitoras apresentaram maior contato de baixa qualidade com seus filhotes. Nos machos, o cuidado materno de baixa qualidade correlacionou-se negativamente com o tempo no braço aberto e a frequência de mergulhos (r=-0,4;p=0,03) avaliados no labirinto em cruz elevado. O comportamento materno de lamber os filhotes correlacionou-se com a frequência de mergulhos em ambos os sexos (r=0,5;p&lt;0,001). A quantidade de NO no hipocampo não diferiu entre os grupos. Conclusão: Uma maior atividade da nNOS não parece estar envolvida no comportamento ansioso observado neste modelo animal, no entanto a relação mãe-filhote, alterada por um ambiente neonatal adverso, teve impacto sobre o comportamento ansioso de forma sexo específica Introdução: Estudos indicam que o trauma precoce e o sistema serotoninérgico estão relacionados ao desenvolvimento de ansiedade. Esta relação poderia ser mediada pela enzima óxido nítrico sintase neuronal (nNOS), que tem papel importante no funcionamento dos receptores de serotonina.Objetivo: Investigar, através da mensuração do óxido nítrico (NO) no hipocampo, o possível envolvimento da nNOS no desenvolvimento de ansiedade em um modelo animal de adversidade no início da vida, baseado na qualidade do cuidado materno.Métodos: Ao segundo dia de vida, genitoras Wistar e suas ninhadas foram divididas em dois grupos: intervenção, com redução do material para a confecção do ninho, ou controle. O comportamento materno foi observado do dia 1 ao dia 9 de vida. Na vida adulta, realizaram-se testes comportamentais e determinaram-se os níveis hipocampais de NO, através da mensuração de seus produtos de degradação.Resultados: Observou-se um maior comportamento do tipo ansioso no grupo intervenção, cujas genitoras apresentaram maior contato de baixa qualidade com seus filhotes. Nos machos, o cuidado materno de baixa qualidade correlacionou-se negativamente com o tempo no braço aberto e a frequência de mergulhos (r=-0,4;p=0,03) avaliados no labirinto em cruz elevado. O comportamento materno de lamber os filhotes correlacionou-se com a frequência de mergulhos em ambos os sexos (r=0,5;p&lt;0,001). A quantidade de NO no hipocampo não diferiu entre os grupos.Conclusão: Uma maior atividade da nNOS não parece estar envolvida no comportamento ansioso observado neste modelo animal, no entanto a relação mãe-filhote, alterada por um ambiente neonatal adverso, teve impacto sobre o comportamento ansioso de forma sexo específic

Efeitos do estresse por contenção na vigência de dieta palatável em ratos sobre o comportamento e sobre o desbalanço oxidativo no sistema nervoso central

Foi proposto que animais submetidos a estresse crônico mostram uma resposta ao estresse que pode ser reduzida pela ingestão de alimentos palatáveis (“comfort foods”). No entanto, uma dieta saborosa, rica em açúcar ou gordura, também pode levar a dano oxidativo e lesão neuronal. Assim, o objetivo deste estudo é verificar, em ratos machos e fêmeas, os efeitos da exposição crônica ao estresse durante o acesso livre a ração padrão e a uma dieta altamente palatável sobre o comportamento exploratório, a memória espacial e a ansiedade, bem como o estresse oxidativo e quebras do ADN em duas estruturas do sistema nervoso, hipocampo e estriado. Ratos Wistar machos e fêmeas foram submetidos ao estresse de contenção por 40 dias. A dieta era ração padrão e chocolate ad libitum. O estresse crônico induziu um comportamento do tipo ansioso em ratas fêmeas e o consumo de uma dieta palatável aumentou a atividade locomotora; uma interação também foi observada entre a dieta e estresse, pois a dieta preveniu, ao menos em parte, os efeitos do estresse sobre o comportamento nas fêmeas. Nos ratos machos, a dieta mostrou um efeito facilitador na memória espacial em dias de treinamento. Os resultados também mostraram que o estresse e a dieta induziram aumento no índice de quebras de ADN e um desequilíbrio na atividade de enzimas antioxidantes, catalase (CAT), glutationa peroxidase (GPx) e superóxido dismutase (SOD), nas estruturas estudadas em ambos os sexos, além da perturbação na produção de óxido nítrico, especialmente no hipocampo de ratos machos. Medidas de estresse oxidativo no hipocampo dos ratos machos mostraram que a dieta palatável diminuiu a atividade das enzimas GPx, CAT e da razão SOD:CAT. O estresse crônico mostrou uma tendência em aumentar a produção de óxido nítrico enquanto que a dieta diminuiu. Nas fêmeas, a exposição ao estresse crônico diminuiu a atividade da SOD e a dieta aumentou o potencial antioxidante reativo total (TRAP). Na exposição ao estresse agudo, foi observado, no hipocampo dos ratos machos, que o estresse agudo aumentou as quebras de ADN e houve uma tendência de aumentar a atividade da SOD, enquanto que a dieta palatável diminuiu a atividade desta enzima. Concluindo, observou-se que ratas fêmeas parecem ter maior susceptibilidade aos efeitos do estresse, e que o acesso a uma dieta palatável foi capaz de neutralizar alguns efeitos comportamentais do estresse. No entanto, esta mesma dieta induziu um aumento do estresse oxidativo e de quebras do ADN, especialmente nos machos. Além disso, uma única exposição ao estresse por contenção apresentou, no hipocampo de ratos machos, aumento nas quebras de ADN e a dieta induziu alterações na atividade de enzimas antioxidantes. O estresse por contenção e o consumo de uma dieta palatável induziram um estado de maior susceptibilidade ao estresse oxidativo em diferentes estruturas cerebrais, considerando alterações na atividade das enzimas antioxidantes e nas quebras ao ADN e também na produção de óxido nítrico.It has been proposed that animals subjected to chronic stress show a stress response that can be reduced by the intake of highly palatable foods (“comfort foods”). However, a palatable diet, rich in sugar or fat, can also lead to oxidative damage and neuronal injury. So, the aim of this study is to verify, in male and female rats, the effects of exposure to chronic stress during free access to regular chow and to a highly palatable diet, on exploratory, spatial memory and anxiety-like behavior, on oxidative stress and on DNA breaks in two structures of the nervous system, hippocampus and striatum. Wistar rats male and female were submitted to restraint stress for 40 days. The diet was standard chow and chocolate, ad libitum. Chronic stress induced anxiety-like behavior in female rats and the consumption of a palatable diet increased the number crossing and an interaction was also observed between diet and stress. In male rats, the diet showed a facilitatory effect on spatial memory on training days. About oxidative stress, the results showed stress- and diet-induced DNA breaks and an imbalance in the activity of antioxidants enzymes, such as CAT, GPx and SOD in the both structures, besides disturbed production of nitric oxide especially in male rats hippocampus. About oxidative stress, in the hippocampus of male rats, the palatable diet decreased GPx, CAT activities and SOD:CAT ratio and chronic stress showed a tendency to increase the production of nitric oxide, while the diet decreased it. In female rats, the exposure to chronic stress decreased SOD activity and diet incresead TRAP. Acute stress increased DNA breaks and showed a tendency to increase SOD activity. In addition, we observed that female rats appear to have higher susceptibility to the stress effects evaluated, and that access to a palatable diet was able to counteract some behavioral effects of stress. However, this same diet induced oxidative stress and increased DNA breaks, especially in males. Furthermore, a single exposure restraint stress showed increased DNA breaks in the hippocampus of male rats. Restraint stress and consumption of a palatable diet induced a state oh higher susceptibility to oxidative stress in different brain structures, considering the altered activities of antioxidant enzymes, production nitric oxide and DNA breaks

Isolamento social na pré-puberdade como fator programador do metabolismo e interação com alimento confortante

Fatores ambientais em períodos precoces do desenvolvimento podem levar a alterações persistentes no sistema nervoso central e no sistema endócrino-metabólico. O período pré-púbere é uma fase crítica do desenvolvimento, quando o encéfalo passa por diversos processos fundamentais, e intervenções ambientais durante essa fase de intensa maturação cerebral podem influenciar a susceptibilidade a doenças ou a resiliência na idade adulta. O estresse por isolamento social destaca-se como um dos mais potentes estressores durante o desenvolvimento e pode levar a alterações a longo-prazo no comportamento social e cognitivo. O estresse também pode prejudicar o metabolismo oxidativo. Outro fator ambiental importante são os alimentos ricos em carboidratos simples, os quais, por um lado, são “alimentos confortantes”, ou seja, redutores dos efeitos do estresse, mas também podem desencadear alterações no metabolismo periférico e celular neural. Com base no exposto acima, o objetivo desta tese foi investigar os efeitos do estresse por isolamento social com acesso ou não a um alimento palatável no período pré-púbere (durante o 21-28 dia pós-natal) sobre aspectos metabólicos e neuroquímicos, e investigar memória espacial e possíveis alterações celulares no córtex pré-frontal e no hipocampo de ratos juvenis e adultos. Para alcançar esse objetivo, foram avaliados consumo calórico, parâmetros metabólicos, e o neuropeptideo Y hipotalâmico em ratos jovens e adultos, verificando possíveis mudanças sexo-específicas. Também foram analisados parâmetros do metabolismo energético, do estresse oxidativo, índice de fragmentação do ADN celular e morte celular no hipocampo e no córtex pré-frontal de ratos machos juvenis e adultos. A fim de tentar verificar se as alterações encontradas no metabolismo celular poderiam afetar o comportamento, foram avaliadas a memória espacial e a atividade motora apenas de ratos adultos. Os resultados mostraram que as fêmeas, mesmo antes da puberdade, foram mais propensas a utilizar alimentos confortantes quando expostas ao estresse. Já ratos machos foram mais propensos à programação metabólica a longo-prazo, induzida pela exposição precoce ao alimento palatável, possivelmente relacionada à hipoadiponectinemia. Ambas as estruturas encefálicas estudadas, apresentaram uma programação no metabolismo celular neural a longo-prazo. O isolamento social induziu desequilíbrio entre os sistemas antioxidantes, e induziu uma redução da atividade da enzima Na+,K+-ATPase no córtex pré-frontal. A exposição precoce à dieta palatável não foi capaz de prevenir esses efeitos a longo-prazo. No hipocampo de ratos jovens, o isolamento social induziu desequilíbrio oxidativo, aumentou o potencial mitocondrial, o índice de fragmentação ao ADN e a apoptose. Diferentemente dos achados no córtex pré-frontal, o consumo da dieta palatável aumentou atividade de enzimas antioxidantes e preveniu diversos dos efeitos do estresse no hipocampo de ratos jovens. Nos ratos adultos, o isolamento social aplicado no período pré-púbere levou ao desequilíbrio oxidativo a longo-prazo. Houve também, um aumento no número de células necróticas no hipocampo desses animais. A ingestão de alimento palatável durante a exposição ao estresse atenuou alguns efeitos do estresse, incluindo as alterações nas atividades dos complexos respiratórios, no índice de fragmentação do ADN celular e no número de células necróticas. Esses efeitos podem estar relacionados com o aumento no imunoconteúdo de receptores de glicocorticoides no hipocampo, que observamos ter sido induzido pela dieta palatável. No entanto, a essa dieta induziu algumas alterações no metabolismo celular neural, per se, aumentando o índice de fragmentação ao ADN celular, o número de células em apoptose inicial e diminuindo o número de células vivas. De modo interessante, não houve diferenças com relação à memória espacial ou à atividade motora. De uma forma geral, esta tese mostrou que intervenções precoces durante o desenvolvimento do animal podem programar o metabolismo ao longo da vida. Os machos foram mais susceptíveis aos efeitos induzidos pelo consumo precoce de alimento palatável quando avaliados parâmetros do metabolismo a longo-prazo. Com relação aos achados no metabolismo neural, diferenças em resposta à exposição ao estresse e à dieta palatável foram observadas no hipocampo e no córtex pré-frontal. O hipocampo mostrou-se mais susceptível a influências de fatores ambientais precoces. Houve claros efeitos sobre o equilíbrio oxidativo e a função mitocondrial mesmo na idade adulta, muito tempo após as intervenções terem cessado; a dieta palatável foi capaz de prevenir vários dos efeitos do estresse no período pré-púbere.to persistent changes in the central nervous system and in the endocrine-metabolic system. The pre-puberty is a critical stage of development, because the brain is undergoing many fundamental processes and functional organization. Environmental interventions during these periods of intense brain maturation may influence disease susceptibility or resilience in adulthood. Social isolation is one of the most potent stressors during development, and can lead to long-term changes in social behavior, cognitive behavior, and also changes in metabolic parameters. Another important environmental factor that may affect development are foods rich in simple carbohydrates, which are known as comfort foods, since they are able to reduce the effects of stress, however they may as well change peripheral and neural metabolism. Based on the above, the aim of this thesis was to investigate the effects of stress by social isolation in the pre-puberty (during 21-28 postnatal day), with or without the access to a palatable food, on metabolic and neurochemical aspects, and to investigate possible spatial memory and cellular changes in the prefrontal cortex and in the hippocampus of juvenile and adult rats. To achieve this goal, we evaluated caloric intake, metabolic parameters and hypothalamic neuropeptide Y in juvenile and adult rats, verifying possible sex-specific differences. Were also analyzed parameters of energy metabolism, oxidative stress, DNA fragmentation index and cell death in the hippocampus and prefrontal cortex of male juvenile and adult rats. In order to verify whether the possible alterations in cellular metabolism could affect behavior we assessed spatial memory and motor activity. With respect to metabolic parameters, we observed that females, even before puberty, were more likely to use comfort foods when exposed to stress. Male rats were more prone to the long-term metabolic programming induced by early exposure to palatable food, possibly related to hypoadiponectinemia. Both brain structures studied presented long-term alterations in neural cell metabolism. Social isolation induced imbalance between antioxidant systems, and a reduction of Na+, K+-ATPase activity in the prefrontal cortex. The palatable diet was not able to prevent these long-term effects. In the hippocampus of juveniles, social isolation induced oxidative imbalance, increased the mitochondrial potential, the DNA fragmentation index and apoptosis. Unlike the findings in the prefrontal cortex, in hippocampus the consumption of palatable diet increased activity of antioxidant enzymes and prevented many of the effects of stress in juvenile rats. In hippocampus of adult rats, social isolation in the prepubertal period led to long-term oxidative imbalance, and increased number of necrotic cells. The intake of palatable food during exposure to stress attenuated some of the effects of stress, including changes in the activities of respiratory complexes, the index of cellular DNA fragmentation and the number of necrotic cells. These effects may be related to the increased immunocontent of glucocorticoid receptors in the hippocampus induced by the palatable diet. However, this diet also induced changes per se in neural cell metabolism, including increased DNA fragmentation and apoptosis, and reduced number of live cells. Interestingly, there were no differences on spatial memory and motor activity. Generally, this thesis has shown that early interventions during the pre-pubertal period can program metabolism throughout life. Male rats were more susceptible to consumption of palatable food when long-term metabolic changes were evaluated. Differences in response to stress exposure and palatable diet were observed in hippocampus and prefrontal cortex. The hippocampus was shown to be more susceptible to influences of early environmental factors. There were clear effects on mitochondrial function and oxidative balance in the adulthood, long after the intervention had ceased; the palatable diet was able to prevent many of the effects of stress in the prepubertal period