Effect of prenatal tryptophan diet on mouse ASD-like behavior

Abstract

O Transtorno do Espectro do Autismo (TEA) é um distúrbio do neurodesenvolvimento caracterizado por défices na capacidade de socialização, comunicação e exibição de interesses restritos e comportamentos repetitivos, observados na primeira infância.Devido ao facto de os indivíduos com TEA apresentarem uma elevada prevalência de distúrbios gastrointestinais, foi colocada a hipótese de uma possível ligação entre a disbiose da microbiota intestinal e a modulação da função cerebral e do comportamento nos sintomas e na gravidade desta perturbação do neuro desenvolvimento.Considerando o eixo microbiota intestino-cérebro (MGB), esta tese de mestrado tem como objetivo investigar o efeito de uma dieta enriquecida em triptofano (Trp) em pacientes com TEA. É também importante compreender o efeito desta dieta em indivíduos saudáveis. O triptofano é um aminoácido essencial obtido apenas através da dieta e é o único precursor da serotonina (5-HT), um neurotransmissor crucial para a emoção e cognição. Com isso, este aminoácido é uma chave no eixo MGB. Além disso, tem sido relatado em vários estudos a deficiência de Trp e níveis periféricos elevados de serotonina em indivíduos com TEA.Este estudo longitudinal foi dividido em 2 hipóteses experimentais. A primeira foca-se na importância do Trp durante a gestação em fêmeas saudáveis, ou seja, sem nenhuma mutação associada ao TEA. Para isso, utilizou-se murganhos C57BL6/J e formou-se 2 grupos experimentais: mães wild-type (WT, estirpe selvagem) com dieta de controlo (CTR), mães WT com dieta enriquecida em Trp (TRP+). Dado que a disponibilidade do Trp, na gestação em fêmeas com mutação associada ao TEA, é crucial para a sintomatologia e severidade do TEA na descendência. Assim, utilizou-se um modelo animal estabelecido de TEA, murganhos com neurofibromatose tipo 1 (NF1), que apresentam uma mutação no gene Nf1, e formou-se 2 grupos experimentais: mães Nf1+/- com dieta CTR e mães Nf1+/- com dieta TRP+. Em ambos os casos, foram efetuados testes maternos assim como testes comportamento na descendência na infância e na idade juvenil. Os níveis de Trp, serotonina e quinurenina no hipotálamo foram medidos para compreender como os sistemas moleculares podem estar correlacionados com os resultados comportamentais observados.Curiosamente, os nossos resultados revelaram que uma dieta suplementada com Trp tem efeitos comportamentais distintos na descendência de mães WT, ou seja, em indivíduos neurotípicos, ou na descendência de mães com mutação associada ao TEA. Assim observamos, que animais WT apresentam dificuldades de aprendizagem e défices de memória assim como um aumento no comportamento restrito/repetitivo, principalmente nos machos. Por outro lado, murganhos Nf1+/- mostram um melhor neurodesenvolvimento neonatal, aumento na interação social, diminuição de comportamentos repetitivos e restritos, bem como melhor performance de aprendizagem e memória. No entanto, estes murganhos Nf1+/- com dieta TRP+ apresentam um comportamento mais ansioso, o que poderá ser devido a níveis mais baixos de serotonina no cérebro, tal como foi verificado por ELISA.Embora, uma dieta suplementada com Trp possa ser perigosa para indivíduos saudáveis que têm o metabolismo deste aminoácido regulado, este estudo demonstrou que a mesma poderá ser uma abordagem promissora no início da vida para reduzir/melhorar a gravidade dos sintomas de TEA.Globalmente, este estudo realça a importância de uma dieta pré-natal adequada para a regulação do metabolismo da Trp e pode contribuir para aliviar/prevenir os sintomas e/ou a sua gravidade nas doenças do neurodesenvolvimento.

Autism Spectrum Disorder (ASD) is a neurodevelopmental disorder characterised by deficits in the ability to socialise, communicate and exhibit restricted interests and repetitive behaviors, observed in early childhood.Due to the fact that individuals with ASD have a high prevalence of gastrointestinal disorders, it has been hypothesised that there is a possible link between gut microbiota dysbiosis and the modulation of brain function and behavior in the symptoms and severity of this neurodevelopmental disorder.Considering the microbiota-gut-brain (MGB) axis, this master's thesis aims to investigate the effect of a diet enriched in tryptophan (Trp) in ASD patients. It is also important to understand the effect of this diet on healthy individuals. Trp is an essential amino acid obtained only through diet and is the only precursor of serotonin (5-HT), a neurotransmitter crucial for emotion and cognition. As such, this amino acid is a key player in the MGB axis. In addition, several studies have reported Trp deficiency and elevated peripheral serotonin levels in individuals with ASD.This longitudinal study was divided into 2 experimental hypotheses. The first focuses on the importance of Trp during pregnancy in healthy females, i.e. without any mutation associated with ASD. For this purpose, C57BL6/J mice were used and 2 experimental groups were formed: wild-type (WT) mothers with a control diet (CTR), WT mothers with a diet enriched in Trp (TRP+). Since the availability of Trp during gestation in females with a mutation associated with ASD is crucial for the symptomatology and severity of ASD in the offspring. Therefore, an established animal model of ASD was used, mice with neurofibromatosis type 1 (NF1), which have a mutation in the Nf1 gene, and 2 experimental groups were formed: Nf1+/- dams on a CTR diet and Nf1+/- dams on a TRP+ diet. In both cases, maternal tests were performed as well as behavioral tests on the offspring in early life and at juvenile age. The levels of Trp, serotonin and kynurenine in the hypothalamus were measured to understand how the molecular systems might be correlated with the behavioral results observed.Interestingly, our results revealed that a diet supplemented with Trp has different behavioral effects on the offspring of WT dams, i.e. neurotypical individuals, and on the offspring of dams with the mutation associated with ASD. Thus, we observed that WT animals show learning difficulties and impairment memory as well as an increase in restricted/repetitive behavior, especially in males. On the other hand, Nf1+/- mice show better neonatal neurodevelopment, increased social interaction, decreased repetitive and restricted behavior, as well as better learning and memory performance. However, these Nf1+/- mice on the TRP+ diet show more anxious behavior, which may be due to lower levels of serotonin in the brain, as verified by ELISA.Although a Trp-supplemented diet could be harmful for healthy individuals whose metabolism of this amino acid is regulated, this study has shown that it could be a promising approach early in life to reduce/improve the severity of ASD symptoms.Overall, this study emphasizes the importance of an adequate prenatal diet for the regulation of Trp metabolism and may contribute to alleviating/preventing symptoms and/or their severity in neurodevelopmental disorders.