Intrinsic and extrinsic modulation of neonatal hypoxia-ischemia and Alzheimer's disease, two neurocognitive disorders in the extremes of life

Abstract

L'encefalopatia d'hipòxia-isquèmia (HI) neonatal i la malaltia d'Alzheimer (MA) són trastorns neurològics prevalents en les etapes extremes de la vida. Es caracteritzen per presentar una clínica complexa i heterogènia a més de limitades estratègies terapèutiques, que posen de manifest la rellevància d'intervencions basades en la medicina personalitzada. Traslacionalment, la caracterització de models animals ajuda a entendre els seus mecanismes. La curta esperança de vida dels animals permet un monitoratge a llarg terme per estudiar els factors implicats en la seva modulació. Aquest treball pretén respondre la hipòtesi que la interacció de factors intrínsecs (genotip, sexe, edat/envelliment) i extrínsecs (intervencions d'estimulació o privació) poden tenir un efecte modulador a curt i llarg termini en aquests trastorns neurològics. Es van estudiar en dissenys transversals i longitudinals, dos models de ratolí, un d'HI neonatal i un d'envelliment patològic (3xTg-AD per la MA vs. l'homòleg no transgènic C57BL/6). L'objectiu general era caracteritzar els seus trets cognitius, emocionals i físics; així com els correlats neurològics i sistèmics de les patologies, en diferents etapes de la vida, i des d'una perspectiva de sexe. Finalment, avaluar l'impacte d'intervencions de protecció/risc. Els resultats obtinguts han aportat les següents conclusions: A l'ontogènia, 1) La lesió cerebral es va correlacionar amb variables de comportament i funcionals, identificant l'hipocamp com l'àrea més afectada. 2) L'HI va produir dany cerebral similar en ambdós sexes, però va afectar el desenvolupament motor, les funcions sensoriomotores, la hiperactivitat, l'ansietat i els dèficits cognitius d'una manera selectiva per sexe i edat. 3) Finalment, la protecció neurològica produïda per l'estimulació neonatal va correlacionar amb disminució del dany neuronal i millors resultats de comportament i funcionals, especialment en mascles. A edats avançades, 1) Es va demostrar que els supervivents 3xTg-AD són un bon model per estudiar el biaix de selecció de mortalitat i l'heterogeneïtat presentada al final de la vida. Es va observar una convergència dels símptomes neuropsiquiàtrics (NPS) i de l'estat físic, però sent el deteriorament cognitiu el tret distintiu més destacat entre els supervivents. L'índex de fragilitat és una bona eina per mesurar l'estat de salut en models animals, presentant els mascles 3xTg-AD majors puntuacions. 2) Els supervivents mascles 3xTg-AD van presentar nivells augmentats d'amiloide dependent de la càrrega genètica, però nivells convergents de sinaptofisina i colina-acetiltransferasa. El deteriorament cognitiu i la hiperactivació de l'eix HPA es van observar en ambdós grups heterozigots i homozigots. En canvi, el nivell de càrrega genètica es va relacionar amb diferents perfils d'ansietat. 3) Les diferències de sexe/gènere en els perfils físics, cognitius, d'ansietat i a nivell neuropatològic van emfatitzar la rellevància del seu anàlisi l'hora d'estudiar la MA. 4) Es va descriure A[Beta] intraneuronal i hiperfosforilació de tau des de les primeres etapes de la malaltia, especialment a l'amígdala i a l'hipocamp ventral. Aquestes dades confirmen que aquest model és útil per estudiar els mecanismes neuropatològics implicats en NPS relacionats amb MA. 5) A nivell neuro-immuno-endocrí; es van descriure alteracions histopatològiques a la melsa, al ronyó i al fetge en supervivents de 19 mesos, tot i no presentar diferències en els paràmetres oxidatius. 6) L'asimetria entre els hemisferis cerebrals de l'atròfia de l'hipocamp i del flux sanguini cerebral regional es va demostrar per primera vegada en aquest model. L'asimetria de les regions cerebrals en l'envelliment fisiològic i en la MA es va correlacionar amb NPS i dèficits cognitius. 7) L'aïllament social va agreujar l'asimetria de l'atròfia cerebral de l'hipocamp, els patrons hiperactius en la funció motora i el comportament en ratolins 3xTg-AD. A més, va reestructurar els patrons d'ansietat, les estratègies per fer front a l'estrès i l'etograma habitual d'excavació, agreujant el deteriorament de l'estat físic i neuropatològic.

La encefalopatía de hipoxia-isquemia (HI) neonatal y la enfermedad de Alzheimer (EA) son trastornos neurológicos prevalentes en etapas extremas de la vida. Se caracterizan por presentar una clínica compleja y heterogénea además de limitadas estrategias terapéuticas, que muestran la relevancia de intervenciones basadas en la medicina personalizada. Traslacionalmente, la caracterización de modelos animales ayuda a entender sus mecanismos. La corta esperanza de vida de los animales permite una monitorización a largo plazo para estudiar los factores implicados en su modulación. Este trabajo pretende responder a la hipótesis que la interacción de factores intrínsecos (genotipo, sexo, edad/envejecimiento) y extrínsecos (intervenciones de estimulación o privación) pueden tener un efecto modulador a corto y largo plazo en estos trastornos. Se estudiaron dos modelos de ratón, uno de HI neonatal y otro de envejecimiento patológico (3xTg-AD para EA vs. su homologo no transgénico C57BL/6) en diseños transversales y longitudinales. El objetivo general fue caracterizar sus rasgos cognitivos, emocionales y físicos; así como los correlatos neurológicos y sistémicos de las patologías, en diferentes etapas de la vida, y desde la perspectiva de sexo. Finalmente, evaluamos el impacto de intervenciones de protección/riesgo. Los resultados obtenidos han aportado las siguientes conclusiones: En la ontogenia, 1) La lesión cerebral se correlacionó con variables conductuales y funcionales, identificando el hipocampo como el área más afectada. 2) La HI produjo un daño cerebral similar en ambos sexos, pero afectó el desarrollo motor, las funciones sensoriomotoras, la hiperactividad, la ansiedad y los déficits cognitivos de manera selectiva por sexo y edad. 3) Finalmente, la protección neurológica producida por la estimulación neonatal se correlacionó con la disminución del daño neuronal y con mejores resultados de comportamiento y funcionales, especialmente en machos. En edades avanzadas, 1) Se demostró que los supervivientes 3xTg-AD son un buen modelo para estudiar el sesgo de selección de mortalidad y la heterogeneidad presentada al final de la vida. Se observó una convergencia en los síntomas neuropsiquiátricos (NPS) y del estado físico, pero siendo el deterioro cognitivo el rasgo distintivo más destacado entre los supervivientes. El índice de fragilidad, una buena herramienta para medir el estado de salud en modelos animales presentó mayores puntuaciones en los machos 3xTg-AD. 2) Los supervivientes machos 3xTg-AD presentaron niveles aumentados de amiloide dependiente de la carga genética, pero convergentes de sinaptofisina y colina-acetiltransferasa. El deterioro cognitivo y la hiperactivación del eje HPA se observaron en ambos grupos heterocigotos y homocigotos. En cambio, el nivel de carga genética se relacionó con diferentes perfiles de ansiedad. 3) Las diferencias de sexo/género en los perfiles físicos, cognitivos, de ansiedad y a nivel neuropatológico enfatizaron la relevancia de su análisis en el estudio de la EA. 4) Se describió A[Beta] intraneuronal e hiperfosforilación de tau en las primeras etapas de la enfermedad, especialmente en la amígdala y el hipocampo ventral, confirmando que este modelo es útil para estudiar los mecanismos neuropatológicos implicados en NPS en la EA. 5) A nivel neuro-inmunoendocrino; se describieron alteraciones histopatológicas en bazo, riñón y hígado en supervivientes de 19 meses, a pesar de no presentar diferencias en parámetros oxidativos. 6) Se demostró por primera vez en este modelo la asimetría entre los hemisferios cerebrales de la atrofia del hipocampo y del flujo sanguíneo cerebral regional. La asimetría de las regiones cerebrales en envejecimiento fisiológico y en EA se correlacionó con NPS y déficits cognitivos. 7) El aislamiento social agravó la asimetría de la atrofia cerebral hipocampal, los patrones hiperactivos en función motora y el comportamiento en 3xTg-AD. Además, reestructuró los patrones de ansiedad, las estrategias contra el estrés y el etograma habitual de excavación, empeorando el deterioro del estado físico y neuropatológico.

Neonatal hypoxia-ischemia (HI) encephalopathy and Alzheimer's disease (AD) are prevalent neurological disorders in the two extreme stages of life. Both are characterized by the wide heterogeneity and complexity of their clinical profiles. Moreover, they are also constricted by limited therapeutic strategies, highlighting the relevance of studying interventions based on personalized medicine. At the translational level, animal model characterization helps better understand disease mechanisms. The shorter lifespan of animals allows long-term monitoring the cycle of life to study factors potentially involved in disease modulation. This work aims to respond to the hypothesis that the interplay of intrinsic (genotype, sex, age/aging) and extrinsic (stimulation or deprivation interventions) factors can play a short and long-term modulatory effect in these neurological disorders. Males and females of two mouse models, the neonatal HI model and a pathological aging model (3xTg-AD mice for AD vs. their non-transgenic C57BL/6 counterparts with normal aging) were used in transversal and longitudinal designs. We aimed to characterize their cognitive, emotional, and physical domains at the behavioral and functional level as well as neurological and systemic pathological correlates, through different stages of life/disease and under the sex perspective. After that, we evaluated the impact of protective/risk interventions. The results have led to the following conclusions: In the ontogeny, 1) Brain injury can functionally correlate with behavioral and functional variables studied, identifying the hippocampus as the most affected area after the insult. 2) HI induced similar brain damage in both sexes but affected motor development, sensorimotor functions, induced hyperactivity at weaning, anxiety-like behavior, and cognitive deficits in adulthood in a sex- and age-selective manner. 3) Finally, neurological protection elicited by neonatal handling correlated with improved functional capacities, significantly lower injury scores, and better behavioral outcomes, especially in males. At old ages, 1) Long-term survivors of the 3xTg-AD mice have been demonstrated to be a valuable model for studying mortality selection bias and heterogeneity presented in end-of-life dementia. Convergence of neuropsychiatric symptoms (NPS) and physical status were observed between 3xTg-AD and NTg, but cognitive impairment remained the salient distinctive trait in long-lived survivors. Mouse Clinical Frailty Index is a good tool to measure health status in animal models, with 3xTg-AD male mice presenting higher frailty scores. 2) Male 3xTg-AD survivors presented amyloid levels increased in a genetic-load-dependent manner but convergent synaptophysin and choline acetyltransferase. Cognitive impairment and HPA-axis hyperactivation were shared in heterozygous and homozygous 3xTg-AD survivor groups. In contrast, genetic load elicited different anxiety-like profiles. 3) Sex and gender-dependent differences observed in physical, cognitive, and anxiety-like profiles and at the neuropathological level emphasized the relevance of specific analysis when studying AD disease. 4) Intraneuronal A[Beta] pathology and tau hyperphosphorylation were observed in 3xTg-AD mice since the first stages of the disease, with the amygdala and ventral hippocampus taking special importance. These data confirm 3xTg-AD mice as a useful model to study neuropathological mechanisms involved in NPS related to AD. 5) Neuro-immuno-endocrine crosstalk is presented in the 3xTg-AD model. Histopathological alterations in the spleen, kidney, and liver were observed in 19-month-old survivors, although no differences in oxidative parameters were presented in long-life survivors. 6) Brain asymmetry in the hippocampus atrophy and between hemispheres in the Regional Cerebral Blood Flow was modeled for the first time in 3xTg-AD mice. Brain regions' asymmetry in animals with normal and AD-neurodegenerative aging correlated with NPS and cognitive deficits. 7) Social isolation exacerbated the brain asymmetry atrophy of the hippocampus, hyperactive patterns in gross and fine-motor function, and bizarre behavior in 3xTg-AD mice. Moreover, isolation restructured anxiety patterns, changed coping-with-stress strategies, and broke the habitual digging ethogram. Deterioration of physical and neuropathological status was also described.