EVALUATING THE POTENTIAL OF MESENCHYMAL STROMAL CELLS FOR PROMOTING ALLEVIATION OF BLOOD-BRAIN BARRIER IMPAIRMENTS IN MACHADOJOSEPH DISEASE

Abstract

A Doença de Machado-Joseph (MJD), ou ataxia espinocerebelosa do tipo 3 (SCA3) éuma doença neurodegenerativa hereditária autossómica dominante. A MJD é causada por umaexpansão do número de repetições do trinucleótido CAG no gene MJDI/ATXN3, que codificauma cauda de poliglutaminas anormalmente expandida na proteína ataxina-3. A proteínamutante forma agregados e outras espécies toxicas que afeta diferentes processos celularescomo autofagia, proteostase, transcrição, função mitocondrial e sinalização celular,comprometendo assim diversos sistemas neuronais. Os sintomas mais comuns da MJDincluem coordenação motora comprometida, disartria e disfagia, não havendo atualmente umaterapia eficaz para tratar ou atrasar a progressão da doença.A barreira hematoencefálica (BBB) é uma barreira celular importante que controla omicroambiente do sistema nervoso central mantendo o normal funcionamento neuronal. Jáfoi reportado que a BBB se encontra comprometida em varias doenças neurodegenerativascomo na Doença de Alzheimer, na esclerose múltipla e na doença de Huntington.Adicionalmente, foi recentemente demonstrado que a BBB também se encontracomprometida em murganhos transgénicos, modelos de MJD, com 16/17.5 meses de idade.As Células do estroma mesenquimatosas (MSC) têm demonstrado grande potencialno tratamento de doenças neurodegenerativas e a administração repetida de MSC mostrouseeficaz no tratamento de sintomas de MJD. Adicionalmente, diversos estudos mostraram opotencial das MSC na recuperação da BBB em doenças neurodegenerativas. No entanto, osefeitos terapêuticos das MSC na BBB no contexto da MJD ainda não foram clarificados.No presente trabalho, tivemos como objetivo avaliar se as MSC podiam melhorar adisfunção da barreira observada num modelo animal de MJD. Foram administradas duasinjeções consecutivas de MSC em murganhos MJD, seguido da avaliação da integridade da BBB.Este estudo demonstra que os níveis totais e localização subcelular das proteínas associadasàs tight junctions, estavam alteradas num modelo transgénico de MJD. Embora preliminares, háindicações de que a permeabilidade da barreira estava comprometida nos animais e que asMSC conseguiram reverter parcialmente as alterações da BBB, evidenciado pela quantificaçãode Evans Blue presente no parênquima do cérebro. Adicionalmente, o Indocyanine green(ICG) foi utilizado para avaliar a perfusão e permeabilidade vascular, tendo os níveis deretenção de ICG demonstrado que a vasculatura se encontra alterada e que as MSCconseguem reverter estas alterações. Finalmente, foi feita a avaliação da coordenação motora pelos testes beam walking, rotarod, footprint e open field, tendo encontrado evidencias deque tratamento com MSC resulta no melhoramento do fenótipo da MJD em murganhos de 2e 8 meses.Em conclusão, com este estudo demonstramos que a BBB está comprometida emmurganhos modelos de MJD. Adicionalmente, os nossos resultados indicam que duas injeçõesconsecutivas de MSC são capazes de melhorar a coordenação motora, afetada pela MJD.Adicionalmente, resultados preliminares de ICG e EB sugerem que as MSC são capazes dereverter parcialmente as alterações da BBB. O desenvolvimento de terapias para modular aBBB e recuperar a sua função, apresenta grande potencial para o tratamento da MJD.

Machado-Joseph disease (MJD) or spinocerebellar ataxia type 3 (SCA3) is an autosomaldominantly-inherited neurogenerative disorder. MJD is caused by an expansion of the CAGrepeat in the MJD1/ATXN3 gene, which encodes an abnormally long polyglutamine tract inthe Ataxin-3 protein. The protein aggregates and generates toxic species that disrupt severalcell systems, including autophagy, proteostasis, transcription, mitochondrial function, andsignaling, thus affecting numerous neuronal systems. The most common symptoms includeimpaired motor coordination, dysarthria, and dysphagia, and currently, there is no therapyavailable to cure or delay the progression of this disease.The blood-brain barrier (BBB) is an important cellular barrier that controls the CNSmicroenvironment allowing proper neuronal function. BBB is shown to be impaired in severalneurodegenerative disorders such as Alzheimer´s Disease, Multiple Sclerosis, and Huntington'sDisease. Additionally, it was recently demonstrated that the BBB is impaired in 16-17.5 montholdtransgenic MJD mice.MSC holds great potential for the treatment of neurodegenerative disorders, and thesustained administration of MSC has been shown to ameliorate MJD symptoms. Moreover,several studies demonstrate the MSC potential to rescue BBB in neurodegenerative disorders.Nevertheless, the effects of MSC therapeutic in BBB in the MJD were not yet elucidated.In the present work, we aimed to assess if MSC could ameliorate BBB impairments inMJD/SCA3 model. Two-consecutive intravenous treatments with MSC were administered inMJD/SCA3 model, followed by BBB leakage evaluation. This study demonstrated that the totalexpression levels and subcellular localization of TJ-associated proteins were altered intransgenic MJD mice. Although preliminary, we observed that the BBB permeability washampered and that MSC could partially restore BBB leakage as evaluated by the quantificationof the Evans blue (EB) dye extravasation. In addition, Indocyanine green (ICG) was used toevaluate perfusion and vascular permeability, ICG retention levels demonstrated that thevasculature is altered in male MJD mice and that MSC might restore it. Finally, motor and gaitevaluation by beam walking, rotarod, footprint, and open field tests were also performed andwe find evidence that MSC treatment could ameliorate MJD phenotype in 2.5 months and 8-months mice of a severely impaired MJD/SCA3 model.To conclude, in this study we demonstrate that BBB is impaired at an early age inMJD/SCA3 mouse model. Furthermore, our results indicate that two MSC injections canameliorate MJD motor, gait, and balance impairments. Moreover, preliminary data of ICG and EB suggest that MSC can partially restore BBB leakage. The development of therapeutics tomodulate the BBB and restore its function holds great potential for the treatment of MJD.