Effect of methamphetamine on microglial and endotelial cells: nitrosative and oxidative stress

Abstract

A metanfetamina é uma droga de abuso altamente viciante e um potente estimulador do sistema nervoso central capaz de induzir danos em diferentes células e sistemas, como por exemplo o sistema dopaminérgico, serotoninérgico e glutamatérgico. De facto, a metanfetamina exerce inúmeros efeitos neurotóxicos entre os quais stresse oxidativo, excitotoxicidade e disfunção mitocondrial. Os níveis elevados de dopamina e glutamato levam à produção excessiva de espécies reactivas de nitrogénio e oxigénio. Recentemente, foi também sugerido que a metanfetamina compromete a integridade da barreira hematoencefálica. Esta barreira, ou mais especificamente a unidade neuronalglial- vascular que é constituída por células endoteliais cerebrais, lâmina basal, neurónios, astrócitos, pericitos e microglia. Uma vez que a barreira hematoencefálica é uma estrutura complexa que providencia uma interface seletiva mas dinâmica entre a circulação periférica e o sistema nervoso central, alterações ao nível da sua função podem levar a lesões cerebrais. Quando a homeostase do cérebro é perturbada, ocorre uma reacção inflamatória envolvendo diversos tipos de células e moléculas, o que pode culminar com a morte celular. O processo neuroinflamatório envolve uma resposta complexa de todas as células do sistema nervoso central, incluindo neurónios, astrócitos, microglia e células endoteliais. Sabe-se que a metanfetamina é capaz de induzir neuroinflamação, contudo os seus efeitos específicos nas células da microglia e células endoteliais tem sido pouco estudado. Assim sendo, o objectivo do presente trabalho foi avaliar a resposta das células da microglia e endoteliais a um estímulo com metanfetamina, olhando especificamente para o stresse nitrosativo e oxidativo, usando duas linhas celulares como modelo de microglia e de células endoteliais, N9 e bEnd.3, respectivamente. Neste estudo, observámos que a metanfetamina induz a libertação de nitritos em ambas as linhas celulares, 1 hora após a exposição a esta droga, tendo esta libertação sido prevenida na presença de L-NAME. Mostramos ainda que a via de sinalização JAK/STAT está envolvida neste efeito. Além disso, concluímos que a metanfetamina induziu um aumento dos níveis de 3-nitrotirosina. Apesar da rápida e transiente libertação de nitritos observada em ambas as linhas celulares, o aumento da produção de espécies reactivas de oxigénio foi observada após 24 horas de exposição à droga, apenas em células da microglia. A viabilidade celular, após exposição à metanfetamina foi também avaliada em ambas as linhas celulares, sem nenhum efeito nas células da microglia. Contudo, uma diminuição da viabilidade das células endoteliais foi registada quando estas células foram expostas a concentrações elevadas de metanfetamina, o que pode ser uma possível explicação para a diminuição dos níveis de nitritos observada. Com o presente estudo concluímos que a metanfetamina induz uma resposta nitrosativa em ambas as linhas célulares, enquanto o aumento das espécies reativas de oxigénio só foi observado nas células da microglia. Mais ainda, o efeito da metanfetamina parece ser dependente da concentração e tempo de exposição.

Methamphetamine (METH) is a highly addictive drug of abuse and a potent central nervous system (CNS) stimulant able to induce damages to different cells and systems, such as dopaminergic, serotonergic and glutamatergic neurotransmission. METH-induced over-flow of dopamine and glutamate leads to excessive reactive nitrogen and oxygen species production. Indeed, this drug has several neurotoxic features that may include oxidative stress, excitotoxicity and mitochondrial dysfunction. Recently, it was also shown that METH compromises blood brain barrier (BBB) integrity. This barrier, or more specifically the neuro(glial)vascular unit, is composed by brain endothelial cells, basal lamina, neurons, astrocytes, pericytes and microglia. Since BBB is a complex structure that provides a restrict but dynamic interface between the peripheral circulation and the central nervous system (CNS), alterations in its function can lead to brain damage. When the homeostasis of the brain is disturbed, there is an inflammatory response involving several cells and molecules that can culminate in cell death. Neuroinflammatory process usually involves a complex response of all cells present within the CNS, including neurons, astrocytes, microglia and even endothelial cells. It is known that METH is able to induce a neuroinflammatory response, but the specific effect on microglial and endothelial cells have been overlooked. Thus, the present work focused on the study of METH-induced nitrosative and oxidative stress in both cell types, using as model two cell lines, N9 and bEnd.3, respectively for microglia and endothelial cells. We observed that METH induces nitrites release by both cell lines at 1 h after drug exposure, which was prevented in the presence of L-NAME. Additionally, JAK/STAT pathway was shown to be involved in this effect. METH was also able to increase 3- nitrotyrosine (3-NT) levels. Despite of the quick and transient release of nitrites observed in both cell lines, the increase in the production of reactive oxygen species (ROS) was only observed at 24 h in microglial cells. Cell viability, was also evaluated in both cell lines, without an effect on microglial cells. However, we did observe a significant decrease in endothelial cell viability induced by high concentrations of METH, which can be one possible explanation for the decreased of nitrite levels observed. Overall, we concluded that METH induces a nitrosative response in both microglial and endothelial cells, whereas the increase of ROS was only observed in microglial cells. Additionally, these effects were dependent on concentration and time exposure.