Effect of dual therapy with liraglutide and ghrelin on brain metabolism and intracellular stress in the Huntington's disease R6/2 mouse model

Abstract

Huntington's disease is a rare, autosomal dominant neurodegenerative disease, characterized by the expansion of the cytosine-adenine-guanine (CAG) repeat in the exon 1 of the huntingtin gene that results in a mutant huntingtin protein (mHtt). Huntington’s disease remains uncurable and unpreventable, due to the lack of chronically effective drugs and biomarkers. However, Huntington’s disease shares several molecular mechanisms with type 2 diabetes (namely peripheral and brain glucose dysmetabolism), suggesting that efficient anti-type 2 diabetes drugs may be also effective against Huntington’s disease. Following a recent study from our group, we hypothesized that chronic, peripheral co-administration of liraglutide (an anti-type 2 diabetes incretin drug with neuroprotective effects) and ghrelin (an orexigenic hormone that stimulates appetite and affects peripheral metabolism) recovers brain metabolic function and protects against intracellular stress upon Huntington’s disease. Thus, in the present study we aimed to determine the molecular mechanisms underlying the neuroprotection mediated by the administration of liraglutide and/or ghrelin against Huntington’s disease-associated brain metabolic dysfunction and intracellular stress in an animal model of the disease (the R6/2 mouse). Early symptomatic, 9-week old R6/2 mice were daily, subcutaneously co-injected with liraglutide and/or ghrelin, for 2 weeks. The effect of liraglutide alone or together with ghrelin on the R6/2 mouse brain cortical glucose and mitochondrial metabolism were evaluated by colorimetric and fluorimetric techniques. Finally, we analyzed the effect of liraglutide and/or ghrelin on the R6/2 mouse brain cortical intracellular oxidative/nitrosative stress markers, by colorimetry and ELISA. Subcutaneous administration of ghrelin per se or in combination with liraglutide promoted brain cortical glucose metabolism via the pentose phosphate pathway and tricarboxylic acid (TCA) cycle, and increased ATP formation through the phosphocreatine/creatine kinase system in early symptomatic R6/2 mice. Furthermore, ghrelin alone or combined with liraglutide promoted protective mechanisms against their brain cortical DNA oxidation. Finally, liraglutide per se or together with ghrelin recovered brain cortical mitochondrial respiratory chain complex IV activity and ketone bodies’ production in early symptomatic R6/2 mice. Altogether, the results indicate that the co-administration of liraglutide and ghrelin may benefit brain cortex during early symptomatic Huntington’s disease, namely by promoting glucose metabolism, ketogenesis and phosphocreatine/creatine kinase system, protecting against DNA oxidative damage and, ultimately, against Huntington’s disease brain adverse effects. In this perspective, we can speculate that co-administration of ghrelin and liraglutide during an early stage of Huntington’s disease may constitute a promising therapeutic approach against its pathology.

A doença de Huntington é uma doença neurodegenerativa rara, autossómica dominante, caracterizada pela expansão da repetição citosina-adenina-guanina no exão 1 do gene da huntingtina, resultando na formação da proteína huntingtina mutante. A doença de Huntington permanece incurável e sem prevenção, devido à ausência de medicamentos e biomarcadores cronicamente eficazes. Contudo, a existência de vias moleculares comuns entre a doença de Huntington e a diabetes tipo 2 (nomeadamente as alterações periféricas e cerebrais do metabolismo da glucose) sugere que, terapias eficientes no tratamento da diabetes tipo 2 podem sê-lo também no tratamento da doença de Huntington. Desta forma, e na sequência de um estudo recente realizado no nosso laboratório, colocámos a hipótese de a co-administração periférica, crónica, de liraglutida (fármaco utilizado no tratamento da diabetes tipo 2 com efeitos neuroprotetores) e a grelina (hormona orexigénica que estimula o apetite e afecta o metabolismo periférico) recupera a função metabólica cerebral e protege contra o stress intracelular na doença de Huntington. Assim, no presente estudo pretendemos determinar os mecanismos moleculares subjacentes à neuroprotecção mediada pela administração de liraglutida e grelina, sozinhas ou em conjunto, contra a disfunção metabólica cerebral e o stress intracelular associados à doença de Huntington, num modelo animal da patologia (o murganho R6/2). Murganhos R6/2 com 9 semanas de idade, numa fase precoce da doença de Huntington, foram injectados por via subcutânea com liraglutida e/ou grelina, diariamente, durante 2 semanas. Seguidamente, avaliou-se o efeito da liraglutida e grelina em conjunto ou em separado nas vias metabólicas associadas à glucose e mitocôndria no córtex cerebral destes animais, mediante a utilização de técnicas de colorimetria efluorimetria. Finalmente, analisou-se o efeito liraglutida e/ou grelina em marcadores de stress oxidativo/nitrosativo, através da utilização de técnicas colorimétricas e de ELISA.A administração subcutânea da grelina per se ou em combinação com a liraglutida promoveu o metabolismo da glucose por via das pentoses fosfato e do ciclo do ácido tricarboxílico, bem como o aumento da formação de ATP através do sistema fosfocreatina/creatina cinase no córtex cerebral de murganhos R6/2 numa fase precoce da doença de Huntington. Além disso, a administração de grelina per se ou em conjunto com a liraglutida desencadeou mecanismos protetores contra o stress intracelular, traduzidos por uma ligeira redução da lesão oxidativa no DNA no córtex cerebral de murganhos R6/2. Finalmente, a liraglutida per se ou em conjunto com a grelina recuperou a atividade do complexo IV da cadeia respiratória mitocondrial e a produção de corpos cetónicos. Em conclusão, estes resultados mostram que a co-administração de liraglutida e grelina tem efeitos cerebrais benéficos numa fase precoce da doença de Huntington, nomeadamente através da recuperação do metabolismo cortical da glucose e da estimulação da cetogénese e do sistema da fosfocreatina/creatina cinase, protegendo contra a lesão oxidativa do DNA e, em última instância, contra os efeitos adversos da doença de Huntington no cérebro. Assim, podemos especular que a co-administração de grelina e liraglutida numa fase precoce da doença de Huntington poderá constituir uma terapia promissora contra esta patologia.