Impact of methamphetamine on blood-brain barrier : role of exercice

Abstract

O exercício físico é reconhecido e aceite como uma estratégia comportamental para melhorar os parâmetros de saúde. No entanto, o uso de substâncias dopantes ganhou grande popularidade em desportos de competição, apesar do facto de poderem ser tóxicas para vários órgãos, incluindo o cérebro. Algumas substâncias, como as anfetaminas, podem facilmente atingir o cérebro atravessando a barreira hemato-encefálica (BHE), tendo também um efeito direto nesta estrutura celular. Esta barreira protege o cérebro contra moléculas nocivas e organismos patológicos, e é também responsável por manter a sua homeostasia. A disfunção da BHE pode ter consequências graves, tais como o dano irreversível de células cerebrais, o que por sua vez pode originar alterações neurológicas e psiquiátricas. Os principais responsáveis pela integridade desta barreira são as junções intercelulares oclusivas e aderentes existentes entre células endoteliais adjacentes que controlam a via paracelular através da BHE. As células endoteliais em conjunto com os astrócitos, pericitos, neurónios e a matriz extracelular, constituem a “unidade neurovascular” que é essencial para o normal funcionamento do sistema nervoso central. Atualmente, já é do nosso conhecimento que a metanfetamina (MET) pode promover a disrupção da BHE através de alterações na expressão e conformação das junções intercelulares, promoção da astrogliose, remodelação do citoesqueleto, e através da indução de processos neuroinflamatórios. Várias estratégias têm sido apontadas como protetoras em condições de uso de substâncias ilícitas. Neste âmbito, o exercício físico parece promissor pelos seus efeitos benéficos na função cognitiva (aprendizagem e memória), assim como pelo seu potencial efeito não farmacológico de manutenção da homeostasia cerebral e de melhoria dos sintomas em condições de doenças neurodegenerativas e/ou doenças psiquiátricas. Ainda assim, pouco se sabe sobre o papel do exercício físico na disrupção da BHE causada pela MET, assim como sobre os seus mecanismos celulares. Deste modo, o objetivo deste trabalho foi avaliar o papel do exercício físico moderado na disrupção da BHE induzida pela MET, através da análise de proteínas constituintes da unidade neurovascular e assim inferir sobre a integridade da BHE. Neste trabalho foram utilizados ratinhos jovens machos com 3 meses e submetidos a um protocolo de exercício físico moderado com ou sem administração concomitante de MET. Em seguida, as possíveis alterações nos níveis proteicos de albumina, claudina-5, VCAM-1 (molécula de adesão celular vascular) e GFAP (proteína ácida fibrilar glial) no córtex pré-frontal e hipocampo foram analisados pela técnica de western blot. Os efeitos foram dependentes da região cerebral. No hipocampo observámos um maior aumento da permeabilidade da BHE induzida pela MET, assim como pelo exercício físico em si. No entanto, quando combinados foi possível observar um efeito protetor do exercício. Por outro lado, no córtex pré-frontal os efeitos foram mais moderados, e não se verificou um efeito protetor do exercício físico. Podemos assim dizer que o exercício físico pode ter um papel importante no hipocampo aquando uma condição de consumo de MET.

Nowadays, physical exercise is widely accepted as a behavioral strategy to improve health outcomes. Nevertheless, performance-enhancing drugs, such as methamphetamine (METH) have gained great popularity in competition sports, despite of their potential neurotoxicity. METH is a powerful psychostimulant drug of abuse that causes severe alterations in the central nervous system (CNS). Its neurotoxicity has been studied over the last years, and is now known that METH can easily reach the brain by crossing the blood-brain barrier (BBB), with a direct effect on its function. This barrier has an important role on the brain homeostasis and protection against toxic molecules and pathogenic organisms and its dysfunction can lead to neurological and psychiatric abnormalities. The intercellular junctions, tight (TJ) and adherens junctions (AJ), present between adjacent endothelial cells, are the main responsible for the barrier properties since they control the paracellular pathway across BBB. Endothelial cells together with pericytes, astrocytes, the extracellular matrix and neurons, constitute the "neurovascular unit" that is essential for the normal function of the CNS. METH can promote BBB dysfunction through alterations in tight junction protein expression and conformation, increased glial activation, and neuroinflammatory pathways. Physical exercise has been studied by its positive effects on cognitive functions (learning and memory), being a non-pharmacological approach to improve health, including under conditions of neurodegenerative and/or psychiatric conditions. Still, little is known about the role of physical exercise on METH-induced BBB disruption and its underlying mechanisms. Therefore, the aim of this work was to evaluate the role of moderate exercise on BBB disruption METH-induced, by analyzing neurovascular unit proteins and consequently the BBB integrity. Male C57BL/6J wild-type mice at 3 months of age were submitted to a moderate exercise protocol with or without concomitant administration of METH. Possible alterations in the protein levels of albumin, claudin-5, VCAM-1 (vascular cell adhesion molecule), and GFAP (glial fibrillary acidic protein) in the pre-frontal cortex and hippocampus were analyzed by western blot. Effects were region-dependent. BBB leakage was significant in the hippocampus when triggered by METH or exercise by themselves although in this region when combined, exercise showed a protective effect against METH alterations. In the cortical region we did observe neither relevant effects nor protective role of exercise. In conclusion, exercise can have an important role by preventing METH-induced neuroinflammatory response, namely in the hippocampus.