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Nunes ACL, Carmo M, Behrenswerth A, Canas PM, Agostinho P, Cunha RA. Adenosine A 2A Receptor Blockade Provides More Effective Benefits at the Onset Rather than after Overt Neurodegeneration in a Rat Model of Parkinson's Disease. Int J Mol Sci 2024; 25:4903. [PMID: 38732120 PMCID: PMC11084368 DOI: 10.3390/ijms25094903] [Citation(s) in RCA: 0] [Impact Index Per Article: 0] [Reference Citation Analysis] [Abstract] [Key Words] [MESH Headings] [Grants] [Track Full Text] [Journal Information] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 03/27/2024] [Revised: 04/24/2024] [Accepted: 04/26/2024] [Indexed: 05/13/2024] Open
Abstract
Adenosine A2A receptor (A2AR) antagonists are the leading nondopaminergic therapy to manage Parkinson's disease (PD) since they afford both motor benefits and neuroprotection. PD begins with a synaptic dysfunction and damage in the striatum evolving to an overt neuronal damage of dopaminergic neurons in the substantia nigra. We tested if A2AR antagonists are equally effective in controlling these two degenerative processes. We used a slow intracerebroventricular infusion of the toxin MPP+ in male rats for 15 days, which caused an initial loss of synaptic markers in the striatum within 10 days, followed by a neuronal loss in the substantia nigra within 30 days. Interestingly, the initial loss of striatal nerve terminals involved a loss of both dopaminergic and glutamatergic synaptic markers, while GABAergic markers were preserved. The daily administration of the A2AR antagonist SCH58261 (0.1 mg/kg, i.p.) in the first 10 days after MPP+ infusion markedly attenuated both the initial loss of striatal synaptic markers and the subsequent loss of nigra dopaminergic neurons. Strikingly, the administration of SCH58261 (0.1 mg/kg, i.p. for 10 days) starting 20 days after MPP+ infusion was less efficacious to attenuate the loss of nigra dopaminergic neurons. This prominent A2AR-mediated control of synaptotoxicity was directly confirmed by showing that the MPTP-induced dysfunction (MTT assay) and damage (lactate dehydrogenase release assay) of striatal synaptosomes were prevented by 50 nM SCH58261. This suggests that A2AR antagonists may be more effective to counteract the onset rather than the evolution of PD pathology.
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Affiliation(s)
- Ana Carla L. Nunes
- CNC-Center for Neuroscience and Cell Biology, University of Coimbra, 3004-504 Coimbra, Portugal; (A.C.L.N.); (M.C.); (A.B.); (P.M.C.); (P.A.)
| | - Marta Carmo
- CNC-Center for Neuroscience and Cell Biology, University of Coimbra, 3004-504 Coimbra, Portugal; (A.C.L.N.); (M.C.); (A.B.); (P.M.C.); (P.A.)
| | - Andrea Behrenswerth
- CNC-Center for Neuroscience and Cell Biology, University of Coimbra, 3004-504 Coimbra, Portugal; (A.C.L.N.); (M.C.); (A.B.); (P.M.C.); (P.A.)
| | - Paula M. Canas
- CNC-Center for Neuroscience and Cell Biology, University of Coimbra, 3004-504 Coimbra, Portugal; (A.C.L.N.); (M.C.); (A.B.); (P.M.C.); (P.A.)
| | - Paula Agostinho
- CNC-Center for Neuroscience and Cell Biology, University of Coimbra, 3004-504 Coimbra, Portugal; (A.C.L.N.); (M.C.); (A.B.); (P.M.C.); (P.A.)
- Faculty of Medicine, University of Coimbra, 3004-504 Coimbra, Portugal
| | - Rodrigo A. Cunha
- CNC-Center for Neuroscience and Cell Biology, University of Coimbra, 3004-504 Coimbra, Portugal; (A.C.L.N.); (M.C.); (A.B.); (P.M.C.); (P.A.)
- Faculty of Medicine, University of Coimbra, 3004-504 Coimbra, Portugal
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Wiprich MT, da Rosa Vasques R, Gusso D, Rübensam G, Kist LW, Bogo MR, Bonan CD. Locomotor Behavior and Memory Dysfunction Induced by 3-Nitropropionic Acid in Adult Zebrafish: Modulation of Dopaminergic Signaling. Mol Neurobiol 2024; 61:609-621. [PMID: 37648841 DOI: 10.1007/s12035-023-03584-5] [Citation(s) in RCA: 0] [Impact Index Per Article: 0] [Reference Citation Analysis] [Abstract] [Key Words] [MESH Headings] [Grants] [Track Full Text] [Journal Information] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 12/23/2022] [Accepted: 08/15/2023] [Indexed: 09/01/2023]
Abstract
Huntington's disease (HD) is a progressive neurodegenerative disease characterized by neuropsychiatric disturbance, cognitive impairment, and locomotor dysfunction. In the early stage (chorea) of HD, expression of dopamine D2 receptors (D2R) is reduced, whereas dopamine (DA) levels are increased. Contrary, in the late stage (bradykinesia), DA levels and the expression of D2R and dopamine D1 receptors (D1R) are reduced. 3-Nitropropionic acid (3-NPA) is a toxin that may replicate HD behavioral phenotypes and biochemical aspects. This study assessed the neurotransmitter levels, dopamine receptor gene expression, and the effect of acute exposure to quinpirole (D2R agonist) and eticlopride (D2R antagonist) in an HD model induced by 3-NPA in adult zebrafish. Quinpirole and eticlopride were acutely applied by i.p. injection in adult zebrafish after chronic treatment of 3-NPA (60 mg/kg). 3-NPA treatment caused a reduction in DA, glutamate, and serotonin levels. Quinpirole reversed the bradykinesia and memory loss induced by 3-NPA. Together, these data showed that 3-NPA acts on the dopaminergic system and causes biochemical alterations similar to late-stage HD. These data reinforce the hypothesis that DA levels are linked with locomotor and memory deficits. Thus, these findings may suggest that the use of DA agonists could be a pharmacological strategy to improve the bradykinesia and memory deficits in the late-stage HD.
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Affiliation(s)
- Melissa Talita Wiprich
- Programa de Pós-Graduação Em Medicina E Ciências da Saúde, Escola de Medicina, Pontifícia Universidade Católica Do Rio Grande Do Sul, Porto Alegre, RS, Brazil
- Laboratório de Neuroquímica E Psicofarmacologia, Escola de Ciências da Saúde E da Vida, Pontifícia Universidade Católica Do Rio Grande Do Sul, Porto Alegre, RS, Brazil
- Instituto Nacional de Ciência E Tecnologia Em Doenças Cerebrais, Excitotoxicidade E Neuroproteção, Porto Alegre, RS, Brazil
| | - Rafaela da Rosa Vasques
- Laboratório de Neuroquímica E Psicofarmacologia, Escola de Ciências da Saúde E da Vida, Pontifícia Universidade Católica Do Rio Grande Do Sul, Porto Alegre, RS, Brazil
| | - Darlan Gusso
- Laboratório de Neuroquímica E Psicofarmacologia, Escola de Ciências da Saúde E da Vida, Pontifícia Universidade Católica Do Rio Grande Do Sul, Porto Alegre, RS, Brazil
| | - Gabriel Rübensam
- Centro de Pesquisa Em Toxicologia E Farmacologia, Escola de Ciências da Saúde E da Vida, Pontifícia Universidade Católica Do Rio Grande Do Sul, Porto Alegre, RS, Brazil
| | - Luiza Wilges Kist
- Programa de Pós-Graduação Em Biologia Celular E Molecular, Escola de Ciências da Saúde E da Vida, Pontifícia Universidade Católica Do Rio Grande Do Sul, Porto Alegre, RS, Brazil
- Laboratório de Biologia Genômica E Molecular, Escola de Ciências da Saúde E da Vida, Pontifícia Universidade Católica Do Rio Grande Do Sul, Porto Alegre, RS, Brazil
| | - Mauricio Reis Bogo
- Programa de Pós-Graduação Em Medicina E Ciências da Saúde, Escola de Medicina, Pontifícia Universidade Católica Do Rio Grande Do Sul, Porto Alegre, RS, Brazil
- Programa de Pós-Graduação Em Biologia Celular E Molecular, Escola de Ciências da Saúde E da Vida, Pontifícia Universidade Católica Do Rio Grande Do Sul, Porto Alegre, RS, Brazil
- Laboratório de Biologia Genômica E Molecular, Escola de Ciências da Saúde E da Vida, Pontifícia Universidade Católica Do Rio Grande Do Sul, Porto Alegre, RS, Brazil
| | - Carla Denise Bonan
- Programa de Pós-Graduação Em Medicina E Ciências da Saúde, Escola de Medicina, Pontifícia Universidade Católica Do Rio Grande Do Sul, Porto Alegre, RS, Brazil.
- Laboratório de Neuroquímica E Psicofarmacologia, Escola de Ciências da Saúde E da Vida, Pontifícia Universidade Católica Do Rio Grande Do Sul, Porto Alegre, RS, Brazil.
- Instituto Nacional de Ciência E Tecnologia Em Doenças Cerebrais, Excitotoxicidade E Neuroproteção, Porto Alegre, RS, Brazil.
- Programa de Pós-Graduação Em Biologia Celular E Molecular, Escola de Ciências da Saúde E da Vida, Pontifícia Universidade Católica Do Rio Grande Do Sul, Porto Alegre, RS, Brazil.
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Wiprich MT, Altenhofen S, Gusso D, Vasques RDR, Zanandrea R, Kist LW, Bogo MR, Bonan CD. Modulation of adenosine signaling reverses 3-nitropropionic acid-induced bradykinesia and memory impairment in adult zebrafish. Prog Neuropsychopharmacol Biol Psychiatry 2022; 119:110602. [PMID: 35843370 DOI: 10.1016/j.pnpbp.2022.110602] [Citation(s) in RCA: 1] [Impact Index Per Article: 0.5] [Reference Citation Analysis] [Abstract] [Key Words] [Track Full Text] [Journal Information] [Submit a Manuscript] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 02/12/2022] [Revised: 07/03/2022] [Accepted: 07/10/2022] [Indexed: 11/25/2022]
Abstract
Huntington's disease (HD) is a neurodegenerative disorder, characterized by motor dysfunction, psychiatric disturbance, and cognitive decline. In the early stage of HD, occurs a decrease in dopamine D2 receptors and adenosine A2A receptors (A2AR), while in the late stage also occurs a decrease in dopamine D1 receptors and adenosine A1 receptors (A1R). Adenosine exhibits neuromodulatory and neuroprotective effects in the brain and is involved in motor control and memory function. 3-Nitropropionic acid (3-NPA), a toxin derived from plants and fungi, may reproduce HD behavioral phenotypes and biochemical characteristics. This study investigated the effects of acute exposure to CPA (A1R agonist), CGS 21680 (A2AR agonist), caffeine (non-selective of A1R and A2AR antagonist), ZM 241385 (A2AR antagonist), DPCPX (A1R antagonist), dipyridamole (inhibitor of nucleoside transporters) and EHNA (inhibitor of adenosine deaminase) in an HD pharmacological model induced by 3-NPA in adult zebrafish. CPA, CGS 21680, caffeine, ZM 241385, DPCPX, dipyridamole, and EHNA were acutely administered via i.p. in zebrafish after 3-NPA (at dose 60 mg/kg) chronic treatment. Caffeine and ZM 241385 reversed the bradykinesia induced by 3-NPA, while CGS 21680 potentiated the bradykinesia caused by 3-NPA. Moreover, CPA, caffeine, ZM 241385, DPCPX, dipyridamole, and EHNA reversed the 3-NPA-induced memory impairment. Together, these data support the hypothesis that A2AR antagonists have an essential role in modulating locomotor function, whereas the activation of A1R and blockade of A2AR and A1R and modulation of adenosine levels may reduce the memory impairment, which could be a potential pharmacological strategy against late-stage symptoms HD.
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Affiliation(s)
- Melissa Talita Wiprich
- Programa de Pós-Graduação em Medicina e Ciências da Saúde, Escola de Medicina, Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, RS, Brazil; Laboratório de Neuroquímica e Psicofarmacologia, Escola de Ciências da Saúde e da Vida, Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, RS, Brazil; Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia em Doenças Cerebrais, Excitotoxicidade e Neuroproteção, Porto Alegre, RS, Brazil
| | - Stefani Altenhofen
- Programa de Pós-Graduação em Medicina e Ciências da Saúde, Escola de Medicina, Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, RS, Brazil; Laboratório de Neuroquímica e Psicofarmacologia, Escola de Ciências da Saúde e da Vida, Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, RS, Brazil; Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia em Doenças Cerebrais, Excitotoxicidade e Neuroproteção, Porto Alegre, RS, Brazil
| | - Darlan Gusso
- Programa de Pós-Graduação em Biologia Celular e Molecular, Escola de Ciências da Saúde e da Vida, Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, RS, Brazil; Laboratório de Neuroquímica e Psicofarmacologia, Escola de Ciências da Saúde e da Vida, Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, RS, Brazil; Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia em Doenças Cerebrais, Excitotoxicidade e Neuroproteção, Porto Alegre, RS, Brazil
| | - Rafaela da Rosa Vasques
- Laboratório de Neuroquímica e Psicofarmacologia, Escola de Ciências da Saúde e da Vida, Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, RS, Brazil
| | - Rodrigo Zanandrea
- Laboratório de Neuroquímica e Psicofarmacologia, Escola de Ciências da Saúde e da Vida, Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, RS, Brazil
| | - Luiza Wilges Kist
- Programa de Pós-Graduação em Biologia Celular e Molecular, Escola de Ciências da Saúde e da Vida, Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, RS, Brazil; Laboratório de Biologia Genômica e Celular, Escola de Ciências da Saúde e da Vida, Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, RS, Brazil
| | - Mauricio Reis Bogo
- Programa de Pós-Graduação em Biologia Celular e Molecular, Escola de Ciências da Saúde e da Vida, Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, RS, Brazil; Laboratório de Biologia Genômica e Celular, Escola de Ciências da Saúde e da Vida, Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, RS, Brazil
| | - Carla Denise Bonan
- Programa de Pós-Graduação em Medicina e Ciências da Saúde, Escola de Medicina, Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, RS, Brazil; Programa de Pós-Graduação em Biologia Celular e Molecular, Escola de Ciências da Saúde e da Vida, Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, RS, Brazil; Laboratório de Neuroquímica e Psicofarmacologia, Escola de Ciências da Saúde e da Vida, Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, RS, Brazil; Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia em Doenças Cerebrais, Excitotoxicidade e Neuroproteção, Porto Alegre, RS, Brazil.
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Wiprich MT, Bonan CD. Purinergic Signaling in the Pathophysiology and Treatment of Huntington's Disease. Front Neurosci 2021; 15:657338. [PMID: 34276284 PMCID: PMC8281137 DOI: 10.3389/fnins.2021.657338] [Citation(s) in RCA: 7] [Impact Index Per Article: 2.3] [Reference Citation Analysis] [Abstract] [Key Words] [Download PDF] [Figures] [Journal Information] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 01/22/2021] [Accepted: 06/04/2021] [Indexed: 12/20/2022] Open
Abstract
Huntington’s disease (HD) is a devastating, progressive, and fatal neurodegenerative disorder inherited in an autosomal dominant manner. This condition is characterized by motor dysfunction (chorea in the early stage, followed by bradykinesia, dystonia, and motor incoordination in the late stage), psychiatric disturbance, and cognitive decline. The neuropathological hallmark of HD is the pronounced neuronal loss in the striatum (caudate nucleus and putamen). The striatum is related to the movement control, flexibility, motivation, and learning and the purinergic signaling has an important role in the control of these events. Purinergic signaling involves the actions of purine nucleotides and nucleosides through the activation of P2 and P1 receptors, respectively. Extracellular nucleotide and nucleoside-metabolizing enzymes control the levels of these messengers, modulating the purinergic signaling. The striatum has a high expression of adenosine A2A receptors, which are involved in the neurodegeneration observed in HD. The P2X7 and P2Y2 receptors may also play a role in the pathophysiology of HD. Interestingly, nucleotide and nucleoside levels may be altered in HD animal models and humans with HD. This review presents several studies describing the relationship between purinergic signaling and HD, as well as the use of purinoceptors as pharmacological targets and biomarkers for this neurodegenerative disorder.
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Affiliation(s)
- Melissa Talita Wiprich
- Programa de Pós-Graduação em Medicina e Ciências da Saúde, Escola de Medicina, Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, Brazil.,Laboratório de Neuroquímica e Psicofarmacologia, Escola de Ciências da Saúde e da Vida, Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, Brazil
| | - Carla Denise Bonan
- Programa de Pós-Graduação em Medicina e Ciências da Saúde, Escola de Medicina, Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, Brazil.,Laboratório de Neuroquímica e Psicofarmacologia, Escola de Ciências da Saúde e da Vida, Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, Brazil.,Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia em Doenças Cerebrais, Excitotoxicidade e Neuroproteção, Porto Alegre, Brazil
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Wiprich MT, Zanandrea R, Altenhofen S, Bonan CD. Influence of 3-nitropropionic acid on physiological and behavioral responses in zebrafish larvae and adults. Comp Biochem Physiol C Toxicol Pharmacol 2020; 234:108772. [PMID: 32353558 DOI: 10.1016/j.cbpc.2020.108772] [Citation(s) in RCA: 12] [Impact Index Per Article: 3.0] [Reference Citation Analysis] [Abstract] [Key Words] [MESH Headings] [Track Full Text] [Journal Information] [Submit a Manuscript] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 01/17/2020] [Revised: 04/09/2020] [Accepted: 04/18/2020] [Indexed: 12/13/2022]
Abstract
Long-term treatment with 3-nitropropionic acid (3-NPA), a toxin derived from plants and fungi, may reproduce symptoms and biochemical characteristics of Huntington's disease (HD). Our study evaluated the effects of 3-NPA on the physiological and behavioral responses in zebrafish larvae and adults. Larvae exposed to 0.1, 0.2, or 0.5 mM 3-NPA exhibited an increase in heart rate at 2- and 5-days post-fertilization (dpf). There was a decrease in the ocular distance at 5 dpf with 0.05 mM 3-NPA treatment. However, 3-NPA did not alter larval locomotor parameters. Adult zebrafish received 3-NPA intraperitoneal injections (a total of seven injections at doses 10, 20, or 60 mg/kg every 96 h) and showed a decrease in body weight , locomotion and aggressive behavior. No changes were observed in anxiety-like behavior and social interaction between 3-NPA-exposed animals and control groups. However, 3-NPA-treated animals (at 60 mg/kg) demonstrated impaired long-term aversive memory. Overall, 3-NPA exposure induced morphological and heart rate alterations in zebrafish larvae. Additionally, our study showed behavioral changes in zebrafish that were submitted to long-term 3-NPA treatment, which could be related to HD symptoms.
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Affiliation(s)
- Melissa Talita Wiprich
- Programa de Pós-Graduação em Medicina e Ciências da Saúde, Escola de Medicina, Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, RS, Brazil; Laboratório de Neuroquímica e Psicofarmacologia, Escola de Ciências da Saúde e da Vida, Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, RS, Brazil
| | - Rodrigo Zanandrea
- Programa de Pós-Graduação em Medicina e Ciências da Saúde, Escola de Medicina, Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, RS, Brazil; Laboratório de Neuroquímica e Psicofarmacologia, Escola de Ciências da Saúde e da Vida, Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, RS, Brazil
| | - Stefani Altenhofen
- Programa de Pós-Graduação em Medicina e Ciências da Saúde, Escola de Medicina, Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, RS, Brazil; Laboratório de Neuroquímica e Psicofarmacologia, Escola de Ciências da Saúde e da Vida, Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, RS, Brazil; Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia em Doenças Cerebrais, Excitotoxicidade e Neuroproteção, Porto Alegre, RS, Brazil
| | - Carla Denise Bonan
- Programa de Pós-Graduação em Medicina e Ciências da Saúde, Escola de Medicina, Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, RS, Brazil; Laboratório de Neuroquímica e Psicofarmacologia, Escola de Ciências da Saúde e da Vida, Pontifícia Universidade Católica do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, RS, Brazil; Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia em Doenças Cerebrais, Excitotoxicidade e Neuroproteção, Porto Alegre, RS, Brazil.
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