Monitorização de ascorbato e glutamato no cérebro com sensores eletroquímicos: aplicação no estudo da doença de Huntington

Abstract

A Doença de Huntington (DH) é uma doença neurodegenerativa em que se verifica a perda celular em várias regiões cerebrais. Por esta razão é necessário esclarecer quais as mudanças no funcionamento do cérebro, nomeadamente a nível da neurotransmissão na fenda sináptica, para mais facilmente se perceber quais as alterações que caracterizam esta doença a nível neuronal, conhecimento esse que irá possibilitar desenvolver uma terapêutica mais adequada e eficaz. Um dos possíveis mecanismos de neurodegeneração apontados na DH é a excitotoxicidade provocada por um deficiente uptake de glutamato pelos astrócitos e neurónios. Este baseia-se na evidência de que nesta doença os níveis de glutamato se encontram aumentados na fenda sináptica o que leva a uma ativação excessiva dos seus recetores NMDA presentes no neurónio pós-sináptico, o que provoca uma estimulação prolongada deste neurónio, o que pode levar à sua morte celular. O ascorbato é conhecido pelas suas funções como antioxidante e cofator enzimático, porém esta substância tem outras funções de extrema importância nomeadamente a nível cerebral, como moduladora da força do sinal excitatório induzido pelo glutamato. Nos astrócitos e neurónios, aquando do uptake de glutamato ocorre presumivelmente libertação de ascorbato, porém esta relação não está totalmente clarificada. Para melhor compreender as dinâmicas de concentração destas moléculas nas diferentes regiões cerebrais são necessárias técnicas que permitam a sua monitorização em tempo real e com uma frequência de aquisição de sinal que permita observar variações rápidas. Neste sentido, o recurso a microeléctrodos acoplados a técnicas eletroquímicas rápidas, apresentam-se como um método adequado para este fim, permitindo-nos medir as variações de concentração destas substâncias no espaço extracelular do cérebro com elevada resolução espacial e temporal e também perceber que substâncias induzem um aumento ou uma diminuição da concentração da molécula de interesse na fenda sináptica. Todas estas informações são de extrema importância, pois ao analisar e correlacionar estes dados podemos ter uma ideia mais clara do que realmente acontece durante a neurotransmissão, tanto em indivíduos saudáveis, como em indivíduos com a doença. Os microeléctrodos de fibra de carbono (CFMs) modificados com Nafion®/nanotubos de carbono (CNTs), usados na medição do ascorbato, e os biossensores baseados em microeléctrodos de cerâmica (MEA), usados para a medição do glutamato, são resultado da necessidade do desenvolvimento dos sensores eletroquímicos, com o intuito destes apresentarem maior sensibilidade, seletividade e maior resolução temporal e espacial.

Huntington’s disease is a neurodegenerative condition, in which occurs degeneration of neuronal pathways and cell loss in various brain regions. Considering this, it is necessary to clarify the changes in brain function, particularly at the level of neurotransmission/neuromodulation in the synaptic cleft, that occurs in Huntington’s Disease, to better understand this disease at a neuronal level, which will allow the development of more adequate and effective therapy. One of the possible mechanisms of neurodegeneration pointed in HD is the excitotoxicity caused by a deficient uptake of glutamate by astrocytes and neurons. This is based on the evidence that in this disease, glutamate levels are increased in the synaptic cleft, leadings to an excessive activation of NMDA receptors, present in the postsynaptic neuron, and causes a prolonged stimulation of the post-synaptic neurons, and eventually leading to cell death. Ascorbate is known for its antioxidants and enzymatic cofactor properties. However, this substance has other important functions, more specifically as a glutamate induced excitatory signal strength modulator.In astrocytes and neurons, as glutamate uptake takes place, a release of ascorbate occurs. However, the precise mechanism regulating ascorbate release remains elusive. In order to better understand the concentration dynamics of these molecules in different brain regions, techniques are required that allow their monitoring in real time and with a frequency of signal acquisition that allows to monitor rapid variations. Thus, the use of microelectrodes coupled with fast electrochemical techniques are a suitable method for this purpose, allowing the measure of the concentration variations of these substances in the cerebral extracellular space of the brain with high spatial and temporal resolution. In addition, the use of these electrochemical tools give insights on the effect of several substances modulate the increase or decrease of ascorbate and/or glutamate in the extracellular space. All this information is extremely important, because when analyzing and correlating these data we can have a better idea of the molecules dynamics during neurotransmission, both in healthy individuals and in individuals with the disease. The carbon fiber microelectrodes (CFMs) modified with Nafion®/carbon nanotubes (CNTs), used to measure ascorbate, and the ceramics-based microelectrodes (MEA), used to measure glutamate, are a result of the need to develop electrochemical sensors with the aim of having higher sensitivity, selectivity, temporal and spatial resolution.