Thesis (Ph. D.)--University of Washington, 2006. / Vita. Includes bibliographical references (leaves 114-127).

Many common cancers, including breast, prostate and lung cancers, have a propensity to metastasize to bone. Although these cancers go undetected in their native tissues, bone metastases often produce excruciating pain, the etiology of which is poorly understood. Cancer-induced bone pain (CIBP) is not well-controlled with existing medications, severely compromising patient quality of life. While CIBP is multifaceted, increased level of the excitatory neurotransmitter glutamate in the bone-tumor microenvironment may contribute to the pain state. Here, we demonstrate for the first time a relationship between reactive oxygen/nitrogen species, glutamate in the bone-tumor microenvironment and pain behaviors. The murine mammary adenocarcinoma cell line 66.1 is found to release glutamate via the cystine/glutamate antiporter system xc⁻. In a syngeneic model of breast CIBP in which 66.1 cells are inoculated into the femur intramedullary space, administration of sulfasalazine, an established system xc⁻ inhibitor and anti-inflammatory agent, reduces femur glutamate level and attenuates CIBP-related behaviors. Peroxynitrite, a reactive nitrogen species known to be generated in breast tumors, is shown to drive 66.1 system xc⁻ functional expression and tumor cell glutamate release. The elimination of peroxynitrite with the redox modulators FeTMPyP or SRI10 not only modulates tumor cell system xc⁻ functional expression in vitro and in vivo, significantly altering glutamate levels, but also assuages CIBP. In sum, we demonstrate that pharmacological inhibition of system xc⁻ transport attenuates CIBP-related behaviors. These data support a role for tumor-derived glutamate in CIBP and validate system xc⁻ an analgesic target in this pain state.

Fundação Carlos Chagas Filho de Amparo a Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro / O cérebro infantil humano submetido à hipóxia-isquemia (HI) apresenta perda de oligodendrócitos, hipomielinização, astrogliose, alterações no desenvolvimento cortical e no comportamento motor, incluindo a paralisia cerebral. O cerebelo desempenha um importante papel no controle motor e diversos danos vêm sendo observados em humanos e animais que sofreram HI. A excitotoxicidade glutamatérgica é frequentemente associada à HI e junções celulares podem ser responsáveis pela transferência de moléculas capazes de modular os danos decorrentes. Dados prévios de nosso grupo utilizando um modelo de HI pré-natal em ratos demonstraram danos permanentes na estrutura cerebelar, indicando que os efeitos deletérios da HI pré-natal podem ser mantidos até a vida adulta. O objetivo deste trabalho foi caracterizar os níveis de conexinas, receptores e transportadores de glutamato ao longo do desenvolvimento do cerebelo HI, e avaliar a configuração das junções celulares em culturas de astrócitos derivadas do cerebelo de ratos submetidos a esse modelo. Ratas no 18 dia de gestação, após anestesia, tiveram as quatro artérias uterinas obstruídas por 45 minutos (Grupo HI). Animais controle tiveram os úteros expostos sem sofrer a obstrução (Grupo SH). A gestação prosseguiu e apenas filhotes nascidos a termo foram utilizados. Os animais foram decapitados aos 2 (P2), 9 (P9), 16 (P16),23 (P23), 30 (P30), 45 (P45) e 90 (P90) dias pós-natal. Os cerebelos foram submetidos à técnica de Western blotting utilizando os anticorpos anti-NR2B, anti-GluR3, anti-EAAT1, anti-GFAP e anti-Cx43. Para a cultura de astrócitos foram utilizados cerebelos de animais P2. Após terem atingido confluência, as células foram fixadas e imunomarcadas com os anticorpos anti-Cx43, anti-GFAP, anti-nestina e anti-A2B5. Nossos resultados demonstram diferenças nos níveis de GluR3 durante o desenvolvimento do cerebelo SH e HI, havendo uma redução significativa da expressão desta subunidade no grupo HI em P9. Por outro lado, não foram verificadas alterações nos níveis de NR2B e de GFAP entre os grupos nas diferentes idades. Observou-se redução significativa de Cx43 em animais HI em P2 bem como nos astrócitos HI em cultura, os quais também apresentaram alterações morfológicas e diferenças na expressão do marcador A2B5. A alteração referente a GluR3 no grupo HI pode ser causada pela redução da arborização das células de Purkinje e pela redução no número de precursores de oligodendrócitos no cerebelo de animais HI em P9, já observadas em nosso laboratório. A diminuição de Cx43 indica que a passagem de substâncias por canais astrocitários pode estar reduzida e contribuir para a expansão dos danos persistentes descritos em HI. Alterações morfológicas e na expressão de marcadores da diferenciação de astrócitos podem refletir os potenciais efeitos de HI sobre a maturação destas células a longo-prazo. Nossos resultados apontam que a HI sistêmica pré-natal pode ser responsável por alterações que caracterizam a excitotoxicidade glutamatérgica. Ressaltamos também a importância da comunicação entre astrócitos como estratégia neuroprotetora nesta lesão. / Infant human brains submitted to hypoxia-ischemia show oligodendrocyte loss, hypomelination, astrogliosis, cortical development and motor behavior impairments, including cerebral palsy. Cerebellum plays a critical role in motor control and many damages have been demonstrated in humans and animals who suffered HI. Glutamatergic excitotoxicity is usually associated to HI and cellular junctions may be responsible for molecular traffic, being able to modulate HI harm effects. Previous data from our group using a modified model of prenatal HI in rats have shown long-lasting damages in cerebellar structure, indicating that deleterious effects of prenatal HI may be sustained until adult life. The objective of this study was to characterize connexin (Cx) and glutamate receptors and transporters levels during the development of HI cerebellum and to evaluate cellular junctions in astrocyte cultures derived from the cerebella of rats submitted to this same model. Rats on the 18th gestation day were anesthetized, had their uterine horns exposed and the four uterine arteries were clamped for 45 minutes (HI group). Control animals had the uterine horns exposed but no arteries were clamped (SH group). Gestation proceeded after surgery and only pups born at term were used. The animals were decapitated at 2 (P2), 9 (P9), 16 (P16), 23 (P23), 30 (P30), 45 (P45) e 90 (P90) postnatal days. Cerebella were submitted to Western blotting using anti-NR2B, anti-GluR3, anti-EAAT1, anti-GFAP and anti-Cx43 antibodies. P2 cerebella were used in astrocyte primary cultures. After they had achieved confluence, the cells were fixed and immunostained with anti-Cx43, anti-GFAP, anti-nestin and anti-A2B5 antibodies. Our results demonstrate differences in GluR3 levels along cerebellum development of SH and HI animals, with a significant decrease of this subunit expression in HI group at P9. On the other hand, we did not observe any variation in NR2B and GFAP levels between groups at different ages. We also observed a significant decreased Cx43 expression in HI group at P2 as well as in cultured astrocytes, which had morphological modifications and different A2B5 marker expression. The modification related to GluR3 receptor in HI group may be caused by impaired dendritic arborization or by a reduced number of oligodendrocyte progenitors in the cerebellum of HI animals at P9, already described in our laboratory. Cx43 reduction indicates that substances traffic through astrocytic channels may be impaired and contribute to lesion expansion of permanent damages observed in HI. Morphological and markers expression changes related to astrocyte differentiation may reflect potential effects of HI on cell maturation at long-term. Our results confirm that prenatal systemic HI may be responsible for changes that characterize glutamatergic excitotoxicity. We also reassure the importance of astrocyte communication as a neuroprotective strategy in this kind of lesion.

Schizophrenia is a neurodevelopmental disorder affecting 1% of the general population. Dysfunction of the prefrontal cortex (PFC) is associated with the etiology of schizophrenia. Moreover, a substantial deficit of GAD1mRNA in schizophrenic PFC has been reported by different groups. However, the underlying molecular mechanisms are still unclear. Interestingly, epigenetic factors such as histone modifications and DNA methylation could be involved in the pathogenesis of schizophrenia during the maturation of the PFC. In my work, I identified potential epigenetic changes in schizophrenic PFC and developmental changes of epigenetic marks in normal human PFC. Furthermore, mouse and neuronal precursor cell models were used to confirm and investigate the molecular mechanisms of the epigenetic changes in human PFC. My initial work examined whether chromatin immunoprecipitation can be applied to human postmortem brain. I used micrococcal nuclease (MNase)-digested chromatin instead of cross-linked and sonicated chromatin for further immunoprecipitation with specific anti-methyl histone antibodies. Surprisingly, the integrity of mono-nucleosomes was still maintained at least 30 hrs after death. Moreover, differences of histone methylation at different genomic loci were detectable and were preserved within a wide range of autolysis times and tissue pH values. Interestingly, MNase-treated chromatin is more efficient for subsequent immunoprecipitation than crosslinked and sonicated chromatin. During the second part of my dissertation work, I profiled histone methylation at GABAergic gene loci during human prefrontal development. Moreover, a microarray analysis was used to screen which histone methyltransferase (HMT) could be involved in histone methylation during human prefrontal development. Mixed-lineage leukemia 1 (MLL1), an HMT for methylation at histone H3 lysine 4 (H3K4), appears to be the best candidate after interpreting microarray results. Indeed, decreased methylation of histone H3 lysine 4 at a subset of GABAergic gene loci occurred in Mll1 mutant mice. Interestingly, clozapine, but not haloperidol, increased levels of trimethyl H3K4 (H3K4me3) and Mll1 occupancy at the GAD1 promoter. I profiled histone methylation and gene expression for GAD1 in schizophrenics and their matched controls. Interestingly, there are deficits of GAD1 mRNA levels and GAD1 H3K4me3 in female schizophrenics. Furthermore, I was also interested in whether the changes of GAD1 chromatin structure could contribute to cortical pathology in schizophrenics with GAD1 SNPs. Remarkably, homozygous risk alleles for schizophrenia at the 5’ end of the GAD1 gene are associated with a deficit of GAD1 mRNA levels together with decreased GAD1 H3K4me3 and increased GAD1H3K27me3 in schizophrenics. Finally, I shifted focus on whether DNA methylation at the GAD1 promoter could contribute to a deficit of GAD1 mRNA in schizophrenia. However, no reproducible techniques are available for extracting genomic DNA specifically from GABAergic neurons in human brain. Therefore, I used an alternative approach that is based on immunoprecipitation of mononucleosomes with anti-methyl-histone antibodies differentiating between sites of active and silenced gene expression. The methylation frequencies of CpG dinucleotides at the GAD1 proximal promoter and intron 2 were determined from two chromatin fractions (H3K4me3 and H3K27me3) separately. Consistently, the proximal promoter region of GAD1 is more resistant to methylation in comparison to intron 2 of GAD1 in either open or repressive chromatin fractions. Interestingly, overall higher levels of DNA methylation were seen in repressive chromatin than in open chromatin. Surprisingly, schizophrenic subjects showed a significant decrease of DNA methylation at the GAD1proximal promoter from repressive chromatin. Taken together, my work has advanced our knowledge of epigenetic mechanisms in human prefrontal development and the potential link to the etiology of schizophrenia. It could eventually provide a new approach for the treatment of schizophrenia, especially in the regulation of methylation at histone H3 lysine 4.

O zebrafish (Danio rerio) é uma espécie utilizada como modelo experimental em diversas áreas, tais como neurociências toxicologia. Seu genoma já está praticamente sequenciado e estudos demonstraram que muitos genes deste peixe são similares aos de mamíferos. Além disso, o zebrafish é um excelente modelo para estudar a função de diferentes sistemas de neurotransmissão. O consumo do etanol exerce diversas mudanças na coordenação motora, percepção sensorial e cognição promovendo um amplo espectro de alterações bioquímicas e fisiológicas nas células nervosas. Aqui, nós investigamos o efeito promovido pela exposição crônica de etanol nos sistemas purinérgico e glutamatérgico, e níveis de BDNF no SNC de zebrafish. Os transportadores de alta afinidade de aminoácidos (EAAT) regulam os níveis extracelulares de glutamato. Nós identificamos e descrevemos o padrão de expressão dos genes relacionados aos transportadores e as propriedades de captação de glutamato nas três importantes estruturas cerebrais de zebrafish (telencéfalo, tecto óptico e cerebelo). As pesquisas nos bancos de dados do seu genoma através de análise filogenética confirmaram a presença de diversos EAATs (EAAT2, EAAT3, três EAAT1 parálogos e duas sequências parálogas para EAAT5). Também, a captação de glutamato dependente de sódio foi significativamente maior no tecto óptico, indicando diferenças funcionais entre as estruturas cerebrais. Os EAATs pertencem à família dos carreadores de soluto 1 (SLC1), que constitui os transportadores de alta afinidade de aminoácidos e transportadores de aminoácidos neutros. Recentemente, foi demonstrada uma análise filogenética e clonagem dos genes SLC1/EAAT identificando distintos membros desta família de transportadores. No sentido de unificar a designação dos genes SLC1/EAAT em zebrafish, foi proposta uma nomenclatura comum para estes grupos. O etanol promoveu uma diminuição significativa na captação de glutamato após 7 e 14 dias de exposição (30% e 54%, respectivamente), enquanto que após 28 dias, não foram observadas alterações. Na,K-ATPase, a enzima responsável pelo controle do gradiente iônico, não teve sua atividade alterada após todos os períodos de exposição testados. Além disso, os peixes expostos ao etanol durante 7 e 14 dias tiveram uma redução nos níveis de mRNA para SLC1A1/EAAT3. Entretanto, a expressão gênica do SLC1A8a,b/EAAT6a,b aumentou após todos os períodos testados, enquanto que SLC1A3a,b/EAAT1b aumentou somente após 28 dias. A prolongada exposição ao etanol não foi capaz de alterar as atividades da glutamina sintetase e glutaminase. Da mesma forma, etanol não alterou a hidrólise de ATP e GTP. Entretanto, foi verificada uma diminuição na hidrólise de ADP (46% e 34%) e GDP (48% e 36%) após 7 e 14 dias respectivamente. Após 7 e 14 dias de exposição ao etanol, também foi observada uma significativa alteração na hidrólise de AMP (48% e 36%), enquanto que a hidrólise de GTP foi inibida somente após 7 dias (46%). Os níveis de transcritos das nucleosídeo trifosfato difosfohidrolase (NTPDases) foram alteradas após 7, 14 e 28 dias. Em contraste, a expressão da 5′-nucleotidase não foi alterada. A atividade da adenosina deaminase (ADA) na fração solúvel não foi modificada, mas uma redução da atividade na fração de membrana após 28 dias de exposição ao etanol (44%) foi observada. A análise da expressão gênica demonstrou que ADA1 permaneceu inalterada, enquanto que os transcritos de ADAL, ADA2-2, ADA2-1, e sua isoforma truncada de ―splicing‖ alternativo (ADA2-1/T) foram alteradas após a ação prolongada do etanol. Após 14 e 28 dias, etanol aumentou a expressão gênica do BDNF, mas não alterou os níveis de transcritos para trkB. A determinação da proteína BDNF através dos métodos de ELISA indicou um aumento de (51%), sendo confirmando imunohistioquímicamente. Estes resultados sugerem que a homeostase da função neurotrófica pode ser alterada pelo prolongado consumo de etanol. Esta tembém inclui uma revisão sobre o papel de diferentes neurotransmissores excitatórios e inibitórios em zebrafish, tais como, dopaminérgico, serotoninérgico, colinérgico, glutamatérgico, purinérgico, histaminérgico, nitrérgico, glicinérgico, gabaérgico, enfatizando aspectos farmacológicos e toxicológicos. Em suma, esta tese demonstra o efeito da exposição crônica ao etanol afeta o sistema glutamtérgico e purinérgico, expressão de BDNF em cérebro de zebrafish. O aumento do conhecimento global sobre os sistemas de neurotransmisão em zebrafish e o esclarecimento de efeitos farmacológicos e toxicológicos poderia contribuir para novas estratégias de pesquisa em ciências básicas e biomédicas. / The zebrafish (Danio rerio) is a species used as experimental models in various fields such as neurosciences, toxicology. Its genome has already been sequenced and studies have shown that many genes are similar to those of mammals. Furthermore, zebrafish provides an excellent model to study the function of different neurotransmitter systems. The ethanol consumption exerts several changes in motor coordination, sensory perception and cognition, promoting a wide-spectrum of biochemical and physiological alterations on nervous cells. Here we investigated the effects promoted by chronic ethanol exposure on glutamatergic and purinergic systems, and BDNF levels in zebrafish CNS. High-affinity excitatory amino acid transporters (EAATs) regulate extracellular glutamate levels. We identified and described the expression profile of EAATs-related genes and the functional properties of glutamate uptake in three major brain structures from zebrafish (telencephalon, optic tectum and cerebellum). Searches on zebrafish genome databases and a phylogenetic analysis confirmed the presence of several EAAT-related genes (EAAT2, EAAT3, three EAAT1 paralogs and two EAAT5 sequences). Moreover, the glutamate uptake was significantly higher in optic tectum, which indicates functional differences within zebrafish brain structures. EAATs belong to the solute carrier family 1 (SLC1), that constitute high-affinity glutamate and neutral amino acid transporters. Recently, the phylogenetic analysis and cloning reporting of SLC1/EAAT genes from zebrafish identified distinct members of this transporter family. In order to unify the nomenclature of SLC1/EAAT genes in zebrafish, it was proposed a common nomenclature for these groups. The actions of ethanol on glutamate uptake showed a significant decrease in glutamate transport (30% and 54%) after 7 and 14 days of exposure, whereas after 28 days, no significant changes were detected. Na,K-ATPase, the enzyme responsible to generate ion gradients, did not alter after all exposure periods. Moreover, fish exposed to ethanol during 7 and 14 days exhibit a decrease of mRNA levels for SLC1A1/EAAT3. However, the gene expression of SLC1A8a,b/EAAT6a,b increased after all exposure periods, whereas SLC1A3a,b/EAAT1b increased only after 28 days. The prolonged ethanol exposure did not significantly change the glutamine synthetase and glutaminase activities. In the same way, ethanol did not alter the ATP and GTP hydrolysis. However, a decrease in ADP (46% and 34%) and GDP (48% and 36%) hydrolysis was verified after 7 and 14 days, respectively. After 7 and 14 days of ethanol exposure, a significant decrease in AMP hydrolysis (48% and 36%) was also observed, whereas GMP hydrolysis was inhibited only after 7 days (46%). Furthermore, nucleoside triphosphate diphosphohydrolase (NTPDase) transcript levels were altered after 7, 14, and 28 days. In contrast, 5′-nucleotidase expression was not altered. Adenosine deaminase (ADA) activity from soluble fraction was not modified, but a decrease of ADA activity in membrane fraction after 28 days (44%) of ethanol exposure was observed. Gene expression analysis demonstrated that ADA1 remained unaltered, whereas ADAL, ADA2-2, ADA2-1 transcripts, and its truncated alternative splice isoform (ADA2-1/T) were altered after prolonged ethanol exposure. After 14 and 28 days, ethanol increased the BDNF gene expression, but did not change the levels of trkB transcripts. The measurement of BDNF protein through ELISA kit anti-BDNF showed increased amounts after 28 days of exposure (51%), which was also confirmed by immunohistochemstry. These results suggest that the homeostasis of neurotrophic functions may be altered by prolonged ethanol consumption. Moreover, we present a review about the role of different excitatory and inhibitory neurotransmitters systems in zebrafish, such as dopaminergic, serotoninergic, cholinergic, glutamatergic, purinergic, histaminergic, nitrergic, glycinergic, and GABAergic systems, emphasizing pharmacological and toxicological aspects. In conclusion, this thesis demonstrates that chronic ethanol exposure affects the glutamatergic and purinergic systems, and BDNF expression in zebrafish brain. The significant increase in the global knowledge about the neurotransmitters systems in zebrafish and the elucidation of pharmacological and toxicological effects could lead to new strategies and appropriate priorities in research in order to support complementary insights on basic sciences and biomedical research.

A Doença de Alzheimer (DA) é uma doença cerebral progressiva que resulta em prejuízos na memória e disfunção cognitiva global. Entre as principais características neuropatológicas associadas a DA estão à presença de placas senis, emaranhados neurofibrilares e a hiperfosforilação da proteína Tau. A hiperativação do sistema glutamatérgico tem sido implicada na fisiopatologia da DA. O excesso de glutamato na fenda sináptica causa hiperativação do seu receptor ionótropico N-metill-D-aspartato (NMDA) o que favorece o aumento do influxo de cálcio e morte neuronal. A administração intracerebral de ácido ocadáico (AO) causa alterações morfológicas e funcionais similares à DA. O AO promove a inibição da proteína fosfatase 2A (PP2A) favorecendo as atividades cinásicas de proteínas como a cinase dependente de ciclina 5 (Cdk5). A memantina (MN) é uma das principais drogas utilizadas no tratamento da DA e o seu mecanismo de ação envolve um antagonismo não competitivo de baixa afinidade pela subunidade NR2B do receptor NMDA. Neste trabalho, foram avaliados efeitos do pré-tratamento com MN em um modelo semelhante a DA induzido pela administração intrahipocampal de AO em ratos. O pré-tratamento com MN preveniu o déficit na memória especial causado pela infusão intrahipocampal de AO. Os mecanismos envolvidos nestes efeitos neuroprotetores envolvem a prevenção do aumento de glutamato no liquido cefalorraquidiano, juntamente com a regulação da expressão de Cdk5 e em conseqüência a prevenção do aumento da fosforilação de Tau. Desta maneira, a MN pode ser um alvo terapêutico para prevenir as alterações comportamentais e neuroquímicas em um modelo similar a DA induzido pelo AO. / Alzheimer's disease (AD) is a progressive brain disease that causes memory loss and global cognitive dysfunction. The neuropathological alterations associated with AD include senile plaques, neurofibrillary tangles and Tau protein hyperphosphorylation. The glutamatergic system is implicated in the pathophysiology of AD. Indeed, the excessive glutamate levels in the synaptic cleft may cause hyperactivation of glutamate ionotropic N-metill-Daspartate (NMDA), which favors increase calcium influx and neuronal death. The intracerebral administration of okadaic acid (OA) causes morphological and functional alterations similar to AD. The OA inhibits the protein phosphatase 2A (PP2A) thus overstimulating the kinases activities. Memantine (MN) is a drug currently used in the treatment of AD, which mechanism involves a noncompetitive low affinity antagonism for NR2B subunit of NMDA receptors. In this work we evaluate the effects of pretreatment with MN in an AD-like model in rats induced by intrahippocampal administration of OA. The pretreatment with MN could prevent the spatial memory deficits caused by OA intrahipocampal administration in rats. The mechanisms underlying this neuroprotective effects involves the prevention of the increase in brain glutamate levels along with regulation of Cdk5 and, in consequence, downstream phosphorylation of Tau (ser199/202) protein. To conclude, MN has potential therapeutic role in preventing behavioral and neurochemical alterations caused by an AD like model induced by OA.

Objetivos: Desenvolver um modelo de isquemia e reperfusão (I-R) ocular baseado no aumento da pressão intraocular (PIO) em ratos Wistar, e utilizar este modelo para investigar o efeito da guanosina (GUA) na captação de glutamato (GLU) nas retinas destes ratos em condições de I-R. Métodos: Desenvolvemos um modelo de I-R ocular e utilizamos este modelo para investigar 30 ratos Wistar, divididos em 3 grupos de 10 animais. Em cada rato, o olho direito foi submetido à elevação da PIO, gerando isquemia retiniana por 45 minutos, sem nenhuma intervenção no olho esquerdo (controle). No grupo 1, os animais não receberam GUA. No grupo 2, os animais receberam injeção intraperitoneal de GUA 30 minutos antes da isquemia e, no grupo 3, os animais receberam GUA na água durante 1 semana antes e 1 semana após a isquemia. Todos os animais foram mortos 7 dias após a isquemia e suas retinas foram coletadas para quantificar a captação de GLU. Resultados: As captações de GLU nas retinas controle foram semelhantes em todos os grupos. No grupo 1, a captação de GLU foi reduzida pela I-R. Esta redução foi abolida pela GUA administrada na água (grupo 3) e, no grupo 2, a captação de GLU aumentou com a administração intraperitoneal de GUA (P<0.001; ANOVA). Conclusões: Estes resultados sugerem que a I-R ocular gerada em nosso modelo experimental diminuiu a captação de GLU nas retinas de ratos Wistar e que a GUA aboliu tal redução ou, até mesmo, aumentou a captação de GLU. Este efeito da GUA está de acordo com estudos prévios que revelaram comportamento neuroprotetor da GUA no sistema nervoso central, por estimular a captação de GLU por astrócitos. Na retina, este efeito pode ser devido à ação da GUA estimulando a captação de GLU pelas células de Müller. / Purpose: To devise an experimental model of ocular ischemia-reperfusion (I-R) based on intraocular pressure (IOP) elevation in Wistar rats, and use this model to investigate the effect of guanosine (GUA) on glutamate (GLU) uptake in retinas of Wistar rats submitted to such ocular I-R injuries. Methods: We devised an experimental model of ocular I-R and applied this model to investigate 30 Wistar rats, divided in 3 groups of 10 rats. Each rat was submitted to IOP elevation in the right eye generating retinal ischemia during 45 minutes with no intervention in the left eye (control retina). In group 1, animals did not receive any GUA. In group 2, animals received an intraperitoneal injection of GUA 30 minutes before ischemia and, in group 3, animals received GUA in water during 1 week before and 1 week after ischemia. All animals were killed 7 days after ischemia and retina samples were obtained. Glutamate uptakes were performed from these retina samples. Results: GLU uptake in control retina was similar in all groups. In group 1, GLU uptake was significantly reduced by I-R; this reduction was abolished by GUA administration in water (group 3) and GLU uptake increased with intraperitoneal GUA (group 2).(P<0.001; ANOVA) Conclusions: These results point that I-R generated by our experimental model decreased GLU uptake in retinas of Wistar rats and that GUA abolished or even overcomed this decrease. These GUA effects are in agreement to previous results, which show that GUA administration presents neuroprotection in central nervous system by stimulating GLU uptake, mainly by astrocytes. In retina, this effect may be due to GUA stimulation of GLU uptake exerted mainly by Müller cells.

Myelinated axons are crucial for rapid information transmission within the central nervous system (CNS). Myelin injury is a common feature of white matter (WM) pathology in a number of disease states, including ischemic stroke. Myelin disruption can lead to a complete failure in saltatory action potential conduction, resulting in devastating neurological deficits. However, the fundamental mechanism of ischemic myelin injury is controversial. Glutamate-mediated excitotoxicity is now recognised as a crucial event in the development of ischemic WM pathology. This thesis investigates the potential mechanisms of glutamate release in central WM and examines the hypothesis that NMDA receptor over-activation mediates ischemic myelin damage. Using glutamate biosensor microelectrodes and FM-dye imaging, I show that axonal depolarisation in the adult corpus callosum evokes rapid vesicular docking in axons, capable of elevating extracellular glutamate concentration. My findings show that vesicular fusion occurs under the myelin sheath in myelinated axons, which supports the existence of a novel synapse between the axon and overlaying myelin. Simulation of ischemia triggered an early and robust rise in optic nerve extracellular glutamate levels. Unexpectedly, a significant component of ischemic glutamate release also originated from axonal vesicular fusion. Together, these findings show that the axon-myelin synapse represents a significant site of excitotoxic injury during ischemia. Resolving prior conflicting results, I show that NMDA receptor antagonists prevent myelin degradation and improve functional recovery when applied for sufficient time to penetrate the sheath. Finally, I identify a fluorescent myelin stain (QNZ-46) which is a negative allosteric modulator of NR2C/D-containing NMDA receptors. QNZ-46 selectively accumulates in myelinated WM regions of the CNS following systemic administration, and is retained following wash-out. As a result, QNZ-46 provides persistent protection during ischemia by preserving myelin structure and improving functional recovery.

Este trabalho apresenta a continuidade da avaliação farmacológica do derivado Nfenilpiperazínico LASSBio-579 em busca de um novo candidato a antipsicótico de segunda geração. Em estudos anteriores, demonstramos que LASSBio-579 base livre é um potencial candidato a antipsicótico atípico capaz de modular três diferentes sistemas neurotransmissores envolvidos na patofisiologia da esquizofrenia: a neurotransmissão dopaminérgica, serotonérgica e glutamatérgica; entretanto, LASSBio-579 na forma de cloridrato apresenta baixa biodisponibilidade. Neste trabalho avaliamos inicialmente a ação de LASSBio-579.HCl. -ciclodextrina, proposto como alternativa para melhorar a biodisponibilidade. Porém, quando avaliado no modelo de escalada induzida por apomorfina, preditivo de atividade antipsicótica, essa preparação não foi efetiva. Assim, seguimos a avaliação farmacodinâmica com LASSBio-579 base livre, utilizando modelos preditivos de atividade antipsicótica, em camundongos. Neste trabalho foram realizados ainda ensaios in vitro, onde se avaliou a ação de LASSBio-579 sobre a viabilidade celular, captação de glutamato e secreção de proteína S100B, utilizando-se para isso fatias hipocampais de ratos tratadas de forma aguda com LASSBio-579 nas concentrações de 0,1; 1,0; 10 e 20μM. / This study presents the continuity of the pharmacological evaluation of the Nphenilpiperazine derivative LASSBio-579, searching a new second generation antipsychotic compound. In previous studies we have demonstrated that LASSBio- 579 in form of base is a potential atypical antipsychotic able to modulate three different neurotransmitter systems involved in the pathophysiology of schizophrenia: dopaminergic, glutamatergic and serotonergic. However, LASSBio-579 hydrochloride has low bioavailability. In this study we evaluated LASSBio-579.HCl. -cyclodextrin, prepared with the aim of increasing oral bioavailability, in the apomorphine induced climbing in mice, which is a model predictive of antipsychotic activity; and it was not effective. Thus, we continue the study with LASSBio-579 in form of base by testing it in others mice models predictive of antipsychotic activity. In this study, also were made in vitro studies performed in hippocampal acute slices which demonstrated that LASSBio-579 induced a glutamate uptake inhibition and also inhibited the S100B protein secretion.

Fundação Carlos Chagas Filho de Amparo a Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro / O cérebro infantil humano submetido à hipóxia-isquemia (HI) apresenta perda de oligodendrócitos, hipomielinização, astrogliose, alterações no desenvolvimento cortical e no comportamento motor, incluindo a paralisia cerebral. O cerebelo desempenha um importante papel no controle motor e diversos danos vêm sendo observados em humanos e animais que sofreram HI. A excitotoxicidade glutamatérgica é frequentemente associada à HI e junções celulares podem ser responsáveis pela transferência de moléculas capazes de modular os danos decorrentes. Dados prévios de nosso grupo utilizando um modelo de HI pré-natal em ratos demonstraram danos permanentes na estrutura cerebelar, indicando que os efeitos deletérios da HI pré-natal podem ser mantidos até a vida adulta. O objetivo deste trabalho foi caracterizar os níveis de conexinas, receptores e transportadores de glutamato ao longo do desenvolvimento do cerebelo HI, e avaliar a configuração das junções celulares em culturas de astrócitos derivadas do cerebelo de ratos submetidos a esse modelo. Ratas no 18 dia de gestação, após anestesia, tiveram as quatro artérias uterinas obstruídas por 45 minutos (Grupo HI). Animais controle tiveram os úteros expostos sem sofrer a obstrução (Grupo SH). A gestação prosseguiu e apenas filhotes nascidos a termo foram utilizados. Os animais foram decapitados aos 2 (P2), 9 (P9), 16 (P16),23 (P23), 30 (P30), 45 (P45) e 90 (P90) dias pós-natal. Os cerebelos foram submetidos à técnica de Western blotting utilizando os anticorpos anti-NR2B, anti-GluR3, anti-EAAT1, anti-GFAP e anti-Cx43. Para a cultura de astrócitos foram utilizados cerebelos de animais P2. Após terem atingido confluência, as células foram fixadas e imunomarcadas com os anticorpos anti-Cx43, anti-GFAP, anti-nestina e anti-A2B5. Nossos resultados demonstram diferenças nos níveis de GluR3 durante o desenvolvimento do cerebelo SH e HI, havendo uma redução significativa da expressão desta subunidade no grupo HI em P9. Por outro lado, não foram verificadas alterações nos níveis de NR2B e de GFAP entre os grupos nas diferentes idades. Observou-se redução significativa de Cx43 em animais HI em P2 bem como nos astrócitos HI em cultura, os quais também apresentaram alterações morfológicas e diferenças na expressão do marcador A2B5. A alteração referente a GluR3 no grupo HI pode ser causada pela redução da arborização das células de Purkinje e pela redução no número de precursores de oligodendrócitos no cerebelo de animais HI em P9, já observadas em nosso laboratório. A diminuição de Cx43 indica que a passagem de substâncias por canais astrocitários pode estar reduzida e contribuir para a expansão dos danos persistentes descritos em HI. Alterações morfológicas e na expressão de marcadores da diferenciação de astrócitos podem refletir os potenciais efeitos de HI sobre a maturação destas células a longo-prazo. Nossos resultados apontam que a HI sistêmica pré-natal pode ser responsável por alterações que caracterizam a excitotoxicidade glutamatérgica. Ressaltamos também a importância da comunicação entre astrócitos como estratégia neuroprotetora nesta lesão. / Infant human brains submitted to hypoxia-ischemia show oligodendrocyte loss, hypomelination, astrogliosis, cortical development and motor behavior impairments, including cerebral palsy. Cerebellum plays a critical role in motor control and many damages have been demonstrated in humans and animals who suffered HI. Glutamatergic excitotoxicity is usually associated to HI and cellular junctions may be responsible for molecular traffic, being able to modulate HI harm effects. Previous data from our group using a modified model of prenatal HI in rats have shown long-lasting damages in cerebellar structure, indicating that deleterious effects of prenatal HI may be sustained until adult life. The objective of this study was to characterize connexin (Cx) and glutamate receptors and transporters levels during the development of HI cerebellum and to evaluate cellular junctions in astrocyte cultures derived from the cerebella of rats submitted to this same model. Rats on the 18th gestation day were anesthetized, had their uterine horns exposed and the four uterine arteries were clamped for 45 minutes (HI group). Control animals had the uterine horns exposed but no arteries were clamped (SH group). Gestation proceeded after surgery and only pups born at term were used. The animals were decapitated at 2 (P2), 9 (P9), 16 (P16), 23 (P23), 30 (P30), 45 (P45) e 90 (P90) postnatal days. Cerebella were submitted to Western blotting using anti-NR2B, anti-GluR3, anti-EAAT1, anti-GFAP and anti-Cx43 antibodies. P2 cerebella were used in astrocyte primary cultures. After they had achieved confluence, the cells were fixed and immunostained with anti-Cx43, anti-GFAP, anti-nestin and anti-A2B5 antibodies. Our results demonstrate differences in GluR3 levels along cerebellum development of SH and HI animals, with a significant decrease of this subunit expression in HI group at P9. On the other hand, we did not observe any variation in NR2B and GFAP levels between groups at different ages. We also observed a significant decreased Cx43 expression in HI group at P2 as well as in cultured astrocytes, which had morphological modifications and different A2B5 marker expression. The modification related to GluR3 receptor in HI group may be caused by impaired dendritic arborization or by a reduced number of oligodendrocyte progenitors in the cerebellum of HI animals at P9, already described in our laboratory. Cx43 reduction indicates that substances traffic through astrocytic channels may be impaired and contribute to lesion expansion of permanent damages observed in HI. Morphological and markers expression changes related to astrocyte differentiation may reflect potential effects of HI on cell maturation at long-term. Our results confirm that prenatal systemic HI may be responsible for changes that characterize glutamatergic excitotoxicity. We also reassure the importance of astrocyte communication as a neuroprotective strategy in this kind of lesion.