Changes in the Gut-Brain axis during aging

Abstract

Atualmente, pensa-se que inflamação sub-crónica e um microbioma intestinal alterado poderão estar subjacentes à patogénese de doenças neurodegenerativas, tais como na doença de Parkinson. O descrito aumento do número de citocinas pró-inflamatórias tanto no sangue, como em biópsias colónicas de doentes de Parkinson permitiu conectar, assim, imunidade gastrointestinal com inflamação. Uma vez que os pacientes desta doença muitas vezes apresentam disfunção intestinal acrescenta peso à importância da interação intestino-cérebro no desenvolvimento da neurodegeneração. Uma vez que perturbações gastrointestinais podem ocorrer até décadas antes do aparecimento de sintomas motores, mudanças no microbioma intestinal poderão ser identificadas como prognóstico antecipado. Assim, a disrupção entre bactérias comensais e patogénicas no intestino, tal como acontece com o envelhecimento, poderá aumentar a suscetibilidade à doença de Parkinson.Este estudo teve como objetivo verificar que as alterações que ocorrem no microbioma com o envelhecimento, deixam ratinhos mais suscetíveis ao desenvolvimento da doença de Parkinson. Mais, ponderamos que a acumulação de ferro no intestino durante o envelhecimento fosse a causa deste desequilíbrio, um processo que poderia ser reversível com terapia de quelantes de ferro, revertendo assim a inflamação intestinal. Este estudo procurou ainda descobrir se uma redução de ferro no intestino seria suficiente para reduzir a neuroinflamação mediada pelas interações intestino-cérebro, e, como tal, a severidade da doença de Parkinson em ratinhos.Ratinhos C57BL/6 foram usados como modelo pré-clínico de modo a alcançar os objetivos deste estudo. Comparações entre ratinhos relativamente novos (8-12 semanas) e velhos (52-60 semanas) foram realizadas de forma a analisar a inflamação intestinal e a acumulação de ferro, com ou sem a administração de terapias quelantes. As interações intestino-cérebro foram avaliadas associando os resultados obtidos no intestino com um aumento na neuroinflamação e acumulação de ferro no cérebro. Um modelo farmacológico da doença de Parkinson foi induzido através da administração de 1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridine (MPTP), uma neurotoxina exclusiva dos neurónios dopaminérgicos da substantia nigra cérebro. Transplantes fecais também foram efetuados para avaliar se a alteração do microbioma intestinal influencia o perfil neuro inflamatório de ratos velhos e, consequentemente, a severidade da doença.Dados preliminares a suportar a hipótese colocada já foram adquiridos pelo mesmo laboratorio, tendo sido crucial a sua validação com o plano experimental proposto. Esta tese almejou conseguir provar que as mudanças no microbioma com o envelhecimento são capazes de influenciar o fenótipo neuro-inflamatório de ratinhos velhos, aumentando a sua suscetibilidade à doença. Esperou-se também mostrar que os mecanismos moleculares subjacentes a este fenómeno, necessitavam de acumulação de ferro no intestino, um processo que aumenta a patogenicidade bacteriana e modula a resposta imune.

Low-grade chronic inflammation and altered composition of gut microbiota have been suggested to underlie the pathogenesis of neurodegenerative diseases, such as Parkinson’s disease (PD). An increased level of pro-inflammatory cytokines was found in both peripheral blood and colonic biopsies of PD patients, an observation that allowed linking gut immunity and inflammation. The notion that PD patients usually present intestinal dysfunction and constipation further strengthens the importance of a gut-brain interaction during the development of neurodegenerative diseases, like PD. Since gastro-intestinal (GI) manifestations often occur a decade before the appearance of severe motor deficits, changes in gut microbes can be identified as early PD symptoms. Hence, the disruption between commensal and pathogenic bacteria in the gut, as physiologically occurs during aging, is thought to favor an increased susceptibility to PD.This study aimed to verify that changes occurring in the gut microbiota during aging rendered mice more susceptible to PD. Moreover, we hypothesized that the accumulation of iron in the gut during aging was the underlying cause of this unbalance, a process that could be reversed with the administration of iron chelators that prevent these changes to trigger gut inflammation. This study was also able to assess whether a reduction of iron in the gut was capable to reduce the gut-brain axis-induced neuroinflammation and, as such, the severity of PD, in mice.C57BL/6 mice were used, as a pre-clinical animal model, to address the objectives of this study. Comparisons between relatively young (8-12-weeks old) and old (52-60-weeks old) mice was carried out, in terms of gut inflammation and iron accumulation, with or without the administration of iron chelation therapy. The gut-brain axis was evaluated by associating the results obtained in the gut with an increased neuroinflammation and iron accumulation in the brain. A pharmacological model of PD was induced by the administration of 1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridine (MPTP), a neurotoxin known to target exclusively dopaminergic neurons in the substantia nigra of the brain. Fecal transplantation was also used to address whether changing the composition of the gut microbiota could influence the neuro-inflammatory profile of aged mice and, subsequently, the severity of PD.Preliminary data supporting the hypotheses put forth were already obtained in the laboratory, so it was crucial their validation with the experimental plan proposed to complete my studies. This research was expected to prove that changes in gut microbiota occurring during aging were capable to influence the neuro-inflammatory phenotype of older mice and to increase the severity of PD. Furthermore, it was also expected to show that the molecular mechanism underlying this phenomenon relied on the accumulation of iron in the gut, a process known to increase bacteria pathogenicity and to modulate the inflammatory response. Lastly this study also addressed the salutary effect of iron chelation therapy in PD, providing proof of concept that its beneficial effects were also due to its ability to diminish gut inflammation.