Obstructive Sleep Apnea as an Aging Trigger: from Mechanisms to Biomarkers

Abstract

A Síndrome da Apneia Obstrutiva do Sono (SAOS) é uma das perturbações mais comuns no mundo, com um impacto muito significativo na saúde, economia e sociedade. Contudo, existem ainda várias dificuldades no seu diagnóstico e tratamento. E, não tratada, a SAOS tem sido associada ao desenvolvimento de várias comorbidades, incluindo doenças cardiovasculares e metabólicas. Estudos de investigação mostram que a SAOS afeta múltiplos processos homeostáticos em vários tecidos que promovem disfunção, desenvolvimento de várias patologias a nível sistémico, e mortalidade. No entanto, não é, ainda, claro como a SAOS desencadeia estas respostas celulares e como estas progridem para processos patológicos em múltiplos órgãos. A investigação desenvolvida no âmbito desta tese teve por objetivo avaliar o impacto da SAOS e do seu tratamento em mecanismos associados à regulação do relógio biológico e processo de envelhecimento, importantes mediadores de múltiplos processos biológicos a nível sistémico. A acrescentar, pretendia-se, também, identificar potenciais biomarcadores de SAOS com aplicação na prática clínica, com base nos dados experimentais obtidos e na literatura.Para tal, desenvolvemos um estudo de coorte, incluindo doentes com SAOS, seguidos desde o momento do seu diagnóstico até dois anos após tratamento com pressão positiva continuada (CPAP), o tratamento de referência para a SAOS, e indivíduos controlo. Avaliámos alterações associadas à regulação do relógio biológico e processo de envelhecimento em amostras de sangue de doentes com SAOS, antes e após tratamento a curto (quatro meses) e a longo prazo (dois anos), em comparação com indivíduos controlo. Explorámos também o potencial destas alterações como biomarcadores para o diagnóstico e tratamento da SAOS. O impacto da hipoxia intermitente (HI), uma das maiores características da SAOS, na regulação do relógio biológico, processos fisiológicos, e expressão de genes associados ao processo de envelhecimento, foi explorado num modelo animal de SAOS, após exposição a HI, seguida de condições normóxicas (“tratamento”). Desenvolvemos também uma revisão sistemática da literatura e meta-análise para identificar potenciais biomarcadores de SAOS reportados na literatura.Os resultados obtidos no contexto desta tese mostram assim que doentes com SAOS apresentam várias alterações associadas à regulação do relógio biológico e processo de envelhecimento, em relação a indivíduos controlo. As alterações observadas respondem de forma diferente ao tratamento a curto (quatro meses) e a longo prazo (dois anos). A longo prazo, o relógio biológico de doentes com SAOS apresenta mais similaridades com o relógio biológico de indivíduos controlo, no entanto, são ainda evidentes alterações em doentes com SAOS tratados a longo prazo. Por outro lado, doentes com SAOS tratados a longo prazo apresentam alterações adicionais características do processo de envelhecimento em comparação com o momento antes do tratamento, após tratamento a curto prazo (quatro meses), e indivíduos controlo. Uma semana de HI é suficiente para promover alterações na regulação do relógio biológico a nível molecular, provocar alterações fisiológicas, e despoletar alterações na expressão de genes associados ao processo de envelhecimento, em vários tecidos. Algumas destas alterações não são revertidas em condições de normoxia. Alterações associadas à regulação do relógio biológico mostraram potenciais aplicações no diagnóstico da SAOS, enquanto alterações associadas ao processo de envelhecimento poderão ter um papel importante no prognóstico da SAOS. A revisão sistemática e meta-análise realizada permitiu também identificar candidatos promissores a explorar como potenciais biomarcadores de SAOS em estudos futuros. Contudo, esta mostrou também que a investigação de biomarcadores de SAOS está ainda numa fase inicial. Identificámos vários obstáculos na investigação de biomarcadores de SAOS, que poderão incentivar abordagens alternativas na identificação de biomarcadores de SAOS.Em conclusão, alterações em mecanismos envolvidos na regulação do relógio biológico e processo de envelhecimento, despoletados numa fase inicial da SAOS, poderão estar na base do impacto sistémico da SAOS e envelhecimento acelerado/agravado. O tratamento atual poderá, assim, não ser suficiente para reverter as consequências da SAOS. Durante este trabalho, identificamos vários alvos a explorar como potenciais biomarcadores. Os nossos resultados incentivam, assim, novas direções na investigação de SAOS, com impacto na prática clínica.Por fim, e não menos importante, em paralelo com este trabalho de investigação, promovemos várias iniciativas de sensibilização da sociedade para a importância do sono. Esperamos ter incentivado boas práticas para um sono saudável, e ter promovido uma melhor perceção dos sintomas da SAOS, bem como de outras perturbações do sono, contribuindo assim para diagnósticos e tratamentos mais rápidos e eficazes.

Obstructive Sleep Apnea (OSA) is one of the most prevalent sleep disorders worldwide. Given its impact on health, society, and economy, OSA has been recognized as a major health concern worldwide. Its prevalence is estimated to continuously increase. Still, there are many difficulties in its diagnosis and treatment. Untreated OSA has been associated with a host of comorbidities, including cardiovascular and metabolic disorders. Considerable efforts have been made towards our understanding of the pathophysiology of this complex sleep-related breathing disorder and the development of new strategies for its diagnosis and treatment. Research studies have showed that OSA affects multiple homeostatic processes in several tissues which end up in functional decline, multi-organ chronic comorbidities, and increased mortality. However, how cellular responses to OSA initiate and cause disease progression in multiple organs is still not clear. With the research work presented in this thesis, we aimed to explore the impact of OSA and OSA treatment on clock and aging-associated mechanisms, important mediators of multiple biological processes at a systemic level. In addition, we intended to identify potential biomarkers with applications in clinics. For that, we conducted a cohort study including patients with OSA, followed from the moment of their diagnosis up to two years after treatment with continuous positive airway pressure (CPAP), the gold standard for OSA treatment, and control subjects. We evaluated clock and aging-related changes in blood samples of patients with OSA, before and after short (four months) and long-term (two years) CPAP, relative to control subjects. The potential application of related changes as biomarkers for OSA diagnosis and treatment was further assessed. The contribution of intermittent hypoxia (IH), one of the major hallmarks of OSA, to alterations in the molecular clock, physiological parameters, and expression of aging-related genes was also explored. For that, we conducted experiments in a mouse model of OSA, before and after recovery from IH, relative to mice exposed to normoxia conditions. In parallel, a systematic review and meta-analysis of potential biomarkers of OSA reported in literature was also performed.Our results show that patients with OSA present clock and aging-related changes relative to control subjects that differentially respond to short- (four months) and long-term (two years) CPAP treatment. After long-term treatment, the clock of patients with OSA better resemble the clock of control subjects, yet differences were still observed. On the other hand, long-term treated patients show additional aging-related alterations, relative to control subjects and untreated and short-term treated patients, suggesting aggravated/accelerated aging mechanisms. In accordance with these results, within one week of exposure, IH was also shown to impact on the molecular clock in central and peripheral tissues, to affect several physiological parameters and to contribute to systemic changes in the expression of aging-related genes in mice. Some of the physiological changes observed in mice exposed to IH were not reversed in normoxia conditions, suggesting that some of the changes promoted by IH may become irreversible. While clock genes expression revealed promising applications in OSA diagnosis and treatment-response monitoring, aging-related changes become relevant biomarkers in the context of OSA prognosis. In addition, our systematic review and meta-analysis allowed us to identify further candidates to explore as potential biomarkers in future studies. However, it also showed that OSA biomarkers research is still at an early stage. We point several gaps in current OSA biomarker research that may guide into new directions and approaches towards the identification of OSA biomarkers.In conclusion, alterations in clock and aging-related mechanisms, triggered at early stages of the disease, may underlie the multi-organ morbidity observed in patients with OSA and contribute to an aggravated/accelerated aging. In this scenario, current treatment strategies may not be enough to completely revert OSA consequences. We identified several candidates to be further explored as potential biomarkers of OSA in the clinical setting. Our study opens thus new avenues in OSA research, with potential application in clinics, and highlights the importance of a healthy sleep and of the diagnosis and treatment of sleep disorders as OSA.Last but not the least, in parallel with the research work of this thesis, we also conducted several sleep awareness initiatives with the aim of improving sleep literacy and reinforcing the impact of sleep on health and society. We expect that these initiatives have encouraged the adoption of good practices for a healthy sleep and have promoted a better perception of the symptoms of OSA and other sleep disorders, contributing to earlier diagnoses and treatments.