Boosting endogenous mechanisms for neuronal protection and repair after injury in central nervous system

Abstract

Les neurones tenen mecanismes endògens de neuroprotecció que son capaces d’activar en front d’insults que poden provocar la seva mort. Les motoneurones (MNs) activen aquests mecanismes quan sofreixen una axotomía distal (DA) del nervi ciàtic. D’altra banda, en una lesió més proximal al seu soma com és l’avulsió d’arrel (RA), aquests mecanismes no són activats i les MNs acaben degenerant. Per tant, les dues lesions provoquen una separació de les MNs dels seus òrgans diana, però el resultat és diferent ja que en la DA aquestes sobreviuen i regeneren, mentre que en la RA aquestes moren. Si elucidem quins són els mecanismes que activen les MNs endògenament després de la DA, podrem induir-los en el model de RA i això sostenir la supervivència de les MNs i promoure la seva regeneració. Estudis recents han demostrat que la biologia de sistemes pot ser útil per a descobrir noves teràpies farmacologies per tractar aquelles condicions patologies complexes. Paral·lelament, el reaprofitament de fàrmacs utilitzats actualment en la clínica humana per a altres patologies no predites inicialment genera avantatges, ja que la seva translació clínica es més ràpida. L’eina bioinformàtica TPMS combina el punt de vista de biologia de sistemes i el concepte de reaprofitament de fàrmacs. Aquesta tesis va se iniciada a partir de l’ús del TPMS per descobrir noves teràpies neuroprotectores que pertorbin el fenotip pro-mort de les MNs després de l’avulsió cap al més pro-regeneratiu present després de la AD. Inicialment, vam testar el poder neuroprotector d’aquestes combinacions en models de mort in vitro i in vivo. La combinació amb un efecte protector més gran va ser batejada com a NeuroHeal. Mitjançant tècniques immunohistoquímiques, vàrem validar els mecanismes moleculars predits in silico per al NH, que incloïen l’activitat de la Sirtuina 1 (SIRT1) i altres proteïnes neuroprotectores. D’altra banda, també vam demostrar que el NH administrat oralment incrementava la recuperació funcional després de la lesió al nervi ciàtic. Pel que fa al segon i tercer capítol, vàrem corroborar que l’activitat de SIRT1 exercia efectes neuroprotectors en altres models de mort de MNs després de lesió nerviosa durant diferents etapes del creixement. D’altra banda, l’activitat de la SIRT2, que es considerada com l’antítesi de la SIRT1, impedeix la mort de les MNs adultes ja que bloqueja una resposta microglial exacerbada. Finalment, vam discernir que el NH es capaç d’evitar la mort apoptòtica de les MNs durant etapes inicials del desenvolupament a través de la inducció de l’autofàgia. Ja que el NH és capaç de sostenir la supervivència de les MNs i incrementar la seva capacitat de regeneració durant etapes adultes, vam decidir testar-lo en un model més similar a la clínica humana de les lesions de l’arrel nerviosa. En aquest model, vam realitzar la lesió de les arrels nervioses i vam reintroduir-les quirúrgicament dues setmanes més tard a la medul·la espinal. El NH va mantindré la supervivència de les MNs durant sis mesos, va incrementar la seva regeneració, va reduir l’atrofia muscular i va afavorir la formació de plaques neuromuscular funcionals. Aquestes troballes suggereixen que el NH pot ser una teràpia farmacològica efectiva per incrementar la supervivència de les MN i accelerarà lar recuperació de la funcional motora després de lesions nervioses.

Neurons have endogenous mechanisms of neuroprotection that are capable to activate against those insults that will lead to their death. Motoneurons (MNs) can activate these mechanisms when they suffer a distal axotomy (DA) of the sciatic nerve. However, when the injury is more proximal to their soma, such as root avulsion (RA), these mechanisms are not activated and the MNs undergo degeneration. Therefore, both injuries cause a separation of the MNs from their target organs, but with different results, since in the DA, MNs survive and regenerate, whereas in the RA, they die. By elucidating the mechanisms that MNs activate endogenously after DA, we can induce them in the RA model to support their survival and promote their regeneration. Recent studies have shown that systems biology can be useful in discovering new drug therapies to treat complex pathologies. At the same time, the repurposing of drugs that are currently used in the human clinic for other purposes generates advantages, as their clinical translation is faster. The TPMS bioinformatics tool combines the point of view of systems biology and the concept of drug repurposing. This thesis was initiated using TPMS to discover new neuroprotective therapies that disturb the pro-death phenotype of MNs after avulsion towards the pro-regenerative triggered after DA. Initially, we tested the neuroprotective power of these combinations in models of death in vitro and in vivo. The combination with a larger protective effect was named NeuroHeal. Using immunohistochemical techniques, we validated the molecular mechanisms predicted in silico for NH, which included the activity of Sirtuin 1 (SIRT1) and other neuroprotective proteins. Moreover, we demonstrated that the oral treatment with NH increased the functional recovery after a sciatic nerve injury. Regarding the second and third episodes, we confirmed that the activity of SIRT1 has neuroprotective effects on other models of MN death after a nerve injury produced during different stages of growth. Surprisingly, although the activity of SIRT2 is considered as the antithesis of SIRT1, it prevents the death of adult MNs blocking an exacerbated microglial response. We also discerned that NH can avoid the apoptotic death of MNs during early stages of development by the autophagy induction. Since the NH can sustain the survival of MNs and increase their regenerative capacity on adult stages, we decided to test it in a model more similar to the human clinic of the nerve root injuries. In this pre-clinical model, we injured the nerve roots and re-introduced them surgically two weeks later into the spinal cord. The NH maintained the survival of MNs for six months, increased its regeneration, reduced muscular atrophy and favored the formation of functional neuromuscular junctions. Overall, these findings suggest that NH may be an effective pharmacological therapy to increase the survival of MNs and accelerate the recovery of motor function after nerve injuries.