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Gatica-Garcia B, Bannon MJ, Martínez-Dávila IA, Soto-Rojas LO, Reyes-Corona D, Escobedo L, Maldonado-Berny M, Gutierrez-Castillo ME, Espadas-Alvarez AJ, Fernandez-Parrilla MA, Mascotte-Cruz JU, Rodríguez-Oviedo CP, Valenzuela-Arzeta IE, Luna-Herrera C, Lopez-Salas FE, Santoyo-Salazar J, Martinez-Fong D. Unilateral rNurr1-V5 transgene expression in nigral dopaminergic neurons mitigates bilateral neuropathology and behavioral deficits in parkinsonian rats with α-synucleinopathy. Neural Regen Res 2024; 19:2057-2067. [PMID: 38227536 DOI: 10.4103/1673-5374.391190] [Citation(s) in RCA: 0] [Impact Index Per Article: 0] [Reference Citation Analysis] [Abstract] [Track Full Text] [Journal Information] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 05/14/2023] [Accepted: 11/28/2023] [Indexed: 01/17/2024] Open
Abstract
JOURNAL/nrgr/04.03/01300535-202409000-00039/figure1/v/2024-01-16T170235Z/r/image-tiff Parkinsonism by unilateral, intranigral β-sitosterol β-D-glucoside administration in rats is distinguished in that the α-synuclein insult begins unilaterally but spreads bilaterally and increases in severity over time, thus replicating several clinical features of Parkinson's disease, a typical α-synucleinopathy. As Nurr1 represses α-synuclein, we evaluated whether unilateral transfected of rNurr1-V5 transgene via neurotensin-polyplex to the substantia nigra on day 30 after unilateral β-sitosterol β-D-glucoside lesion could affect bilateral neuropathology and sensorimotor deficits on day 30 post-transfection. This study found that rNurr1-V5 expression but not that of the green fluorescent protein (the negative control) reduced β-sitosterol β-D-glucoside-induced neuropathology. Accordingly, a bilateral increase in tyrosine hydroxylase-positive cells and arborization occurred in the substantia nigra and increased tyrosine hydroxylase-positive ramifications in the striatum. In addition, tyrosine hydroxylase-positive cells displayed less senescence marker β-galactosidase and more neuron-cytoskeleton marker βIII-tubulin and brain-derived neurotrophic factor. A significant decrease in activated microglia (positive to ionized calcium-binding adaptor molecule 1) and neurotoxic astrocytes (positive to glial fibrillary acidic protein and complement component 3) and increased neurotrophic astrocytes (positive to glial fibrillary acidic protein and S100 calcium-binding protein A10) also occurred in the substantia nigra. These effects followed the bilateral reduction in α-synuclein aggregates in the nigrostriatal system, improving sensorimotor behavior. Our results show that unilateral rNurr1-V5 transgene expression in nigral dopaminergic neurons mitigates bilateral neurodegeneration (senescence and loss of neuron-cytoskeleton and tyrosine hydroxylase-positive cells), neuroinflammation (activated microglia, neurotoxic astrocytes), α-synuclein aggregation, and sensorimotor deficits. Increased neurotrophic astrocytes and brain-derived neurotrophic factor can mediate the rNurr1-V5 effect, supporting its potential clinical use in the treatment of Parkinson's disease.
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Affiliation(s)
- Bismark Gatica-Garcia
- Departamento de Fisiología, Biofísica y Neurociencias, Centro de Investigación y de Estudios Avanzados, Ciudad de México, México
| | - Michael J Bannon
- Department of Pharmacology, Wayne State University School of Medicine, Detroit, MI, USA
| | - Irma Alicia Martínez-Dávila
- Departamento de Fisiología, Biofísica y Neurociencias, Centro de Investigación y de Estudios Avanzados, Ciudad de México, México
| | - Luis O Soto-Rojas
- Laboratorio de Patogénesis Molecular, Carrera Médico Cirujano, Facultad de Estudios Superiores Iztacala, Universidad Nacional Autónoma de México, Tlalnepantla de Baz, México
- Red de Medicina para la Educación y Desarrollo y la Investigación Científica de Iztacala (Red MEDICI), Carrera Médico Cirujano, Facultad de Estudios Superiores Iztacala, Universidad Nacional Autónoma de México, Tlalnepantla de Baz, México
| | | | - Lourdes Escobedo
- Departamento de Fisiología, Biofísica y Neurociencias, Centro de Investigación y de Estudios Avanzados, Ciudad de México, México
| | - Minerva Maldonado-Berny
- Departamento de Fisiología, Biofísica y Neurociencias, Centro de Investigación y de Estudios Avanzados, Ciudad de México, México
| | - M E Gutierrez-Castillo
- Departamento de Biociencias e Ingeniería, Centro Interdisciplinario de Investigaciones y Estudios sobre Medio Ambiente y Desarrollo, Instituto Politécnico Nacional, Ciudad de México, México
| | - Armando J Espadas-Alvarez
- Departamento de Biociencias e Ingeniería, Centro Interdisciplinario de Investigaciones y Estudios sobre Medio Ambiente y Desarrollo, Instituto Politécnico Nacional, Ciudad de México, México
| | | | - Juan U Mascotte-Cruz
- Departamento de Fisiología, Biofísica y Neurociencias, Centro de Investigación y de Estudios Avanzados, Ciudad de México, México
| | | | - Irais E Valenzuela-Arzeta
- Departamento de Fisiología, Biofísica y Neurociencias, Centro de Investigación y de Estudios Avanzados, Ciudad de México, México
| | - Claudia Luna-Herrera
- Departamento de Fisiología, Escuela Nacional de Ciencias Biológicas, Instituto Politécnico Nacional, Ciudad de México, México
| | - Francisco E Lopez-Salas
- Departamento de Biología Molecular y Biotecnología, Instituto de Investigaciones Biomédicas, Universidad Nacional Autónoma de México, Ciudad de México, México
| | - Jaime Santoyo-Salazar
- Departamento de Física, Centro de Investigación y de Estudios Avanzados, Ciudad de México, México
| | - Daniel Martinez-Fong
- Departamento de Fisiología, Biofísica y Neurociencias, Centro de Investigación y de Estudios Avanzados, Ciudad de México, México
- Nanoparticle Therapy Institute, Aguascalientes, México
- Programa de Nanociencias y Nanotecnología, Centro de Investigación y de Estudios Avanzados, Ciudad de México, México
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Mascotte-Cruz JU, Vera A, Leija L, Lopez-Salas FE, Gradzielski M, Koetz J, Gatica-García B, Rodríguez-Oviedo CP, Valenzuela-Arzeta IE, Escobedo L, Reyes-Corona D, Gutierrez-Castillo ME, Maldonado-Berny M, Espadas-Alvarez AJ, Orozco-Barrios CE, Martinez-Fong D. Focused ultrasound on the substantia nigra enables safe neurotensin-polyplex nanoparticle-mediated gene delivery to dopaminergic neurons intranasally and by blood circulation. DISCOVER NANO 2024; 19:60. [PMID: 38564106 PMCID: PMC10987469 DOI: 10.1186/s11671-024-04005-9] [Citation(s) in RCA: 0] [Impact Index Per Article: 0] [Reference Citation Analysis] [Abstract] [Key Words] [Grants] [Track Full Text] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 12/18/2023] [Accepted: 03/27/2024] [Indexed: 04/04/2024]
Abstract
Neurotensin-polyplex nanoparticles provide efficient gene transfection of nigral dopaminergic neurons when intracerebrally injected in preclinical trials of Parkinson's disease because they do not cross the blood-brain barrier (BBB). Therefore, this study aimed to open BBB with focused ultrasound (FUS) on the substantia nigra to attain systemic and intranasal transfections and evaluate its detrimental effect in rats. Systemically injected Evans Blue showed that a two-pulse FUS opened the nigral BBB. Accordingly, 35 μL of neurotensin-polyplex nanoparticles encompassing the green fluorescent protein plasmid (79.6 nm mean size and + 1.3 mV Zeta-potential) caused its expression in tyrosine hydroxylase(+) cells (dopaminergic neurons) of both substantiae nigrae upon delivery via internal carotid artery, retro-orbital venous sinus, or nasal mucosa 30 min after FUS. The intracarotid delivery yielded the highest transgene expression, followed by intranasal and venous administration. However, FUS caused neuroinflammation displayed by infiltrated lymphocytes (positive to cluster of differentiation 45), activated microglia (positive to ionized calcium-binding adaptor molecule 1), neurotoxic A1 astrocytes (positive to glial fibrillary acidic protein and complement component 3), and neurotrophic A2 astrocytes (positive to glial fibrillary acidic protein and S100 calcium-binding protein A10), that ended 15 days after FUS. Dopaminergic neurons and axonal projections decreased but recuperated basal values on day 15 after transfection, correlating with a decrease and recovery of locomotor behavior. In conclusion, FUS caused transient neuroinflammation and reversible neuronal affection but allowed systemic and intranasal transfection of dopaminergic neurons in both substantiae nigrae. Therefore, FUS could advance neurotensin-polyplex nanotechnology to clinical trials for Parkinson's disease.
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Affiliation(s)
- Juan U Mascotte-Cruz
- Departamento de Fisiología, Biofísica y Neurociencias, Centro de Investigación y de Estudios Avanzados, Av. Instituto Politécnico Nacional No. 2508, San Pedro Zacatenco, 07360, Ciudad de México, México
| | - Arturo Vera
- Departamento de Ingeniería Eléctrica-Bioelectrónica, Centro de Investigación y de Estudios Avanzados, Ciudad de Mexico, México
| | - Lorenzo Leija
- Departamento de Ingeniería Eléctrica-Bioelectrónica, Centro de Investigación y de Estudios Avanzados, Ciudad de Mexico, México
| | - Francisco E Lopez-Salas
- Departamento de Biología Molecular y Biotecnología, Instituto de Investigaciones Biomédicas, Universidad Nacional Autónoma de México Instituto de Investigaciones Biomédicas, Ciudad de Mexico, México
| | - Michael Gradzielski
- Institut für Chemie, Stranski-Laboratorium für Physikalische und Theoretische Chemie, Technische Universität Berlin, Berlin, Germany
| | - Joachim Koetz
- Institut für Chemie , Universität Potsdam, Potsdam, Germany
| | - Bismark Gatica-García
- Departamento de Fisiología, Biofísica y Neurociencias, Centro de Investigación y de Estudios Avanzados, Av. Instituto Politécnico Nacional No. 2508, San Pedro Zacatenco, 07360, Ciudad de México, México
- Nanoparticle Therapy Institute, Aguascalientes, México
| | | | - Irais E Valenzuela-Arzeta
- Departamento de Fisiología, Biofísica y Neurociencias, Centro de Investigación y de Estudios Avanzados, Av. Instituto Politécnico Nacional No. 2508, San Pedro Zacatenco, 07360, Ciudad de México, México
| | - Lourdes Escobedo
- Departamento de Fisiología, Biofísica y Neurociencias, Centro de Investigación y de Estudios Avanzados, Av. Instituto Politécnico Nacional No. 2508, San Pedro Zacatenco, 07360, Ciudad de México, México
| | | | - M E Gutierrez-Castillo
- Centro Interdisciplinario de Investigaciones y Estudios Sobre Medio Ambiente y Desarrollo, Departamento de Biociencias e Ingeniería, Instituto Politécnico Nacional, Ciudad de Mexico, México
| | - Minerva Maldonado-Berny
- Departamento de Fisiología, Biofísica y Neurociencias, Centro de Investigación y de Estudios Avanzados, Av. Instituto Politécnico Nacional No. 2508, San Pedro Zacatenco, 07360, Ciudad de México, México
| | - Armando J Espadas-Alvarez
- Centro Interdisciplinario de Investigaciones y Estudios Sobre Medio Ambiente y Desarrollo, Departamento de Biociencias e Ingeniería, Instituto Politécnico Nacional, Ciudad de Mexico, México
| | - Carlos E Orozco-Barrios
- CONAHCYT - Unidad de Investigaciones Médicas en Enfermedades Neurológicas, Hospital de Especialidades "Dr. Bernardo Sepúlveda", Centro Médico Nacional Siglo XXI, Instituto Mexicano del Seguro Social, Ciudad de Mexico, México
| | - Daniel Martinez-Fong
- Departamento de Fisiología, Biofísica y Neurociencias, Centro de Investigación y de Estudios Avanzados, Av. Instituto Politécnico Nacional No. 2508, San Pedro Zacatenco, 07360, Ciudad de México, México.
- Nanoparticle Therapy Institute, Aguascalientes, México.
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Collapse
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Valenzuela-Arzeta IE, Soto-Rojas LO, Flores-Martinez YM, Delgado-Minjares KM, Gatica-Garcia B, Mascotte-Cruz JU, Nava P, Aparicio-Trejo OE, Reyes-Corona D, Martínez-Dávila IA, Gutierrez-Castillo ME, Espadas-Alvarez AJ, Orozco-Barrios CE, Martinez-Fong D. LPS Triggers Acute Neuroinflammation and Parkinsonism Involving NLRP3 Inflammasome Pathway and Mitochondrial CI Dysfunction in the Rat. Int J Mol Sci 2023; 24:ijms24054628. [PMID: 36902058 PMCID: PMC10003606 DOI: 10.3390/ijms24054628] [Citation(s) in RCA: 6] [Impact Index Per Article: 6.0] [Reference Citation Analysis] [Abstract] [Key Words] [MESH Headings] [Track Full Text] [Journal Information] [Subscribe] [Scholar Register] [Received: 07/12/2022] [Revised: 02/14/2023] [Accepted: 02/17/2023] [Indexed: 03/06/2023] Open
Abstract
Whether neuroinflammation leads to dopaminergic nigrostriatal system neurodegeneration is controversial. We addressed this issue by inducing acute neuroinflammation in the substantia nigra (SN) with a single local administration (5 µg/2 µL saline solution) of lipopolysaccharide (LPS). Neuroinflammatory variables were assessed from 48 h to 30 days after the injury by immunostaining for activated microglia (Iba-1 +), neurotoxic A1 astrocytes (C3 + and GFAP +), and active caspase-1. We also evaluated NLRP3 activation and Il-1β levels by western blot and mitochondrial complex I (CI) activity. Fever and sickness behavior was assessed for 24 h, and motor behavior deficits were followed up until day 30. On this day, we evaluated the cellular senescence marker β-galactosidase (β-Gal) in the SN and tyrosine hydroxylase (TH) in the SN and striatum. After LPS injection, Iba-1 (+), C3 (+), and S100A10 (+) cells were maximally present at 48 h and reached basal levels on day 30. NLRP3 activation occurred at 24 h and was followed by a rise of active caspase-1 (+), Il-1β, and decreased mitochondrial CI activity until 48 h. A significant loss of nigral TH (+) cells and striatal terminals was associated with motor deficits on day 30. The remaining TH (+) cells were β-Gal (+), suggesting senescent dopaminergic neurons. All the histopathological changes also appeared on the contralateral side. Our results show that unilaterally LPS-induced neuroinflammation can cause bilateral neurodegeneration of the nigrostriatal dopaminergic system and are relevant for understanding Parkinson's disease (PD) neuropathology.
Collapse
Affiliation(s)
- Irais E. Valenzuela-Arzeta
- Departamento de Fisiología, Biofísica y Neurociencias, Centro de Investigación y de Estudios Avanzados del Instituto Politécnico Nacional, Mexico City 07360, Mexico
| | - Luis O. Soto-Rojas
- Laboratorio de Patogénesis Molecular, Laboratorio 4 Edificio A4, Carrera Médico Cirujano, Facultad de Estudios Superiores Iztacala, Universidad Nacional Autónoma de México, Mexico City 54090, Mexico
- Red MEDICI, Carrera Médico Cirujano, Facultad de Estudios Superiores Iztacala, Universidad Autónoma de México, Mexico City 54090, Mexico
| | - Yazmin M. Flores-Martinez
- Programa Institucional de Biomedicina Molecular, Escuela Nacional de Medicina y Homeopatía, Instituto Politécnico Nacional, Mexico City 07320, Mexico
| | - Karen M. Delgado-Minjares
- Departamento de Fisiología, Biofísica y Neurociencias, Centro de Investigación y de Estudios Avanzados del Instituto Politécnico Nacional, Mexico City 07360, Mexico
- Laboratorio de Patogénesis Molecular, Laboratorio 4 Edificio A4, Carrera Médico Cirujano, Facultad de Estudios Superiores Iztacala, Universidad Nacional Autónoma de México, Mexico City 54090, Mexico
| | - Bismark Gatica-Garcia
- Departamento de Fisiología, Biofísica y Neurociencias, Centro de Investigación y de Estudios Avanzados del Instituto Politécnico Nacional, Mexico City 07360, Mexico
- Nanoparticle Therapy Institute, Aguascalientes 20120, Mexico
| | - Juan U. Mascotte-Cruz
- Departamento de Fisiología, Biofísica y Neurociencias, Centro de Investigación y de Estudios Avanzados del Instituto Politécnico Nacional, Mexico City 07360, Mexico
| | - Porfirio Nava
- Departamento de Fisiología, Biofísica y Neurociencias, Centro de Investigación y de Estudios Avanzados del Instituto Politécnico Nacional, Mexico City 07360, Mexico
| | - Omar Emiliano Aparicio-Trejo
- Departamento de Fisiopatología Cardio-Renal, Instituto Nacional de Cardiología Ignacio Chávez, Mexico City 14080, Mexico
| | - David Reyes-Corona
- Departamento de Fisiología, Biofísica y Neurociencias, Centro de Investigación y de Estudios Avanzados del Instituto Politécnico Nacional, Mexico City 07360, Mexico
- Nanoparticle Therapy Institute, Aguascalientes 20120, Mexico
| | - Irma A. Martínez-Dávila
- Departamento de Fisiología, Biofísica y Neurociencias, Centro de Investigación y de Estudios Avanzados del Instituto Politécnico Nacional, Mexico City 07360, Mexico
| | - M. E. Gutierrez-Castillo
- Departamento de Biociencias e Ingeniería, Centro Interdisciplinario de Investigaciones y Estudios Sobre Medio Ambiente y Desarrollo, Instituto Politécnico Nacional, Mexico City 07340, Mexico
| | - Armando J. Espadas-Alvarez
- Departamento de Biociencias e Ingeniería, Centro Interdisciplinario de Investigaciones y Estudios Sobre Medio Ambiente y Desarrollo, Instituto Politécnico Nacional, Mexico City 07340, Mexico
| | - Carlos E. Orozco-Barrios
- Conacyt-Unidad de Investigaciones Médicas en Enfermedades Neurológicas, Hospital de Especialidades Dr. Bernardo Sepúlveda, Centro Médico Nacional Siglo XXI, Instituto Mexicano del Seguro Social, Mexico City 06720, Mexico
| | - Daniel Martinez-Fong
- Departamento de Fisiología, Biofísica y Neurociencias, Centro de Investigación y de Estudios Avanzados del Instituto Politécnico Nacional, Mexico City 07360, Mexico
- Nanoparticle Therapy Institute, Aguascalientes 20120, Mexico
- Programa de Nanociencias y Nanotecnología, CINVESTAV, Mexico City 07360, Mexico
- Correspondence: ; Tel.: +52-5557473959
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