Bioenergetic regulation of neural stem cell secretome: a novel therapeutic opportunity for neurodegeneration

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Siquenique, Sónia Cristina Rebocho
Data de Publicação: 2020
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
Texto Completo: http://hdl.handle.net/10451/54110
Resumo: Tese de mestrado, Ciências Biofarmacêuticas, 2020, Universidade de Lisboa, Faculdade de Farmácia.
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spelling Bioenergetic regulation of neural stem cell secretome: a novel therapeutic opportunity for neurodegenerationMetabolismMitochondriaNeural stem cellsNeurodegenerationSecretomeTeses de mestrado -2020Ciências da SaúdeTese de mestrado, Ciências Biofarmacêuticas, 2020, Universidade de Lisboa, Faculdade de Farmácia.A descoberta da existência de neurogénese, processo de produção de novos neurónios a partir de células estaminais neurais (NSCs), em zonas específicas no cérebro adulto, tem sido alvo de um grande interesse terapêutico. Curiosamente, tem sido descrito que uma via importante de comunicação celular inclui a libertação parácrina de moléculas, fatores solúveis e microvesículas, como os exossomas. As NSCs secretam uma vasta gama de moléculas, funcionando também como células-alvo do seu próprio secretoma. No entanto, a atividade das NSCs, incluindo a sua atividade parácrina, diminui com o envelhecimento e a neurodegenerescência, tornando-se urgente a descoberta de novas estratégias viáveis que compensem o declínio desta proteção endógena ao longo da vida. Curiosamente, o metabolismo tem sido reconhecido como um regulador chave da atividade e função das NSCs e evidências recentes sugerem que aquele possa, também, modular a composição do secretoma celular. No entanto, o papel do metabolismo na regulação do secretoma proveniente das NSCs adultas nunca foi explorado anteriormente. Neste trabalho pretendemos explorar o papel da reprogramação bioenergética na melhoria do perfil terapêutico do secretoma de NSCs em modelos in vitro de neurodegenerescência. Para avaliar os efeitos terapêuticos do secretoma utilizámos como células alvo NSCs expostas ao 1-metil-4-fenilpiridínio (MPP+) e ao peróxido de hidrogénio (H2O2), como forma de mimetizar os danos celulares associados às NSCs circundantes, quer em condições de proliferação, ou em condições de diferenciação. Começámos, inicialmente, por avaliar o efeito de alguns estimuladores mitocondriais na melhoria das propriedades terapêuticas do secretoma das NSCs. Curiosamente, os resultados demonstraram que a estimulação da atividade mitocondrial não melhora as propriedades protetoras do secretoma das NSCs, induzindo mesmo o efeito oposto. De seguida, avaliámos se a exposição direta a um estímulo tóxico poderia ter um impacto positivo no perfil parácrino das NSCs. No entanto, o estímulo tóxico apenas resultou na produção de um secretoma ainda mais prejudicial. Por fim, adicionámos às NSCs produtoras de secretoma um meio condicionado proveniente de células lesadas, contendo possivelmente mediadores inflamatórios e outros sinais de lesão capazes de provocar uma resposta protetora adaptativa das NSCs às células circundantes. Estas NSCs estimuladas foram designadas de boostedNSCs e o seu secretoma foi denominado de boostedCM. Curiosamente, os resultados mostraram que, embora o boostedCM não tenha sido capaz de proteger as NSCs da morte celular em condições de proliferação, reduziu significativamente a morte de NSCs em condições de diferenciação. Com o objetivo de explorar quais as alterações metabólicas associadas à melhoria do secretoma das NSCs (boostedCM), analisámos algumas características da dinâmica, biogénese e metabolismo mitocondrial das boostedNSCs. Verificámos que as boostedNSCs apresentavam um aumento da expressão de proteínas associadas à fissão mitocondrial, uma diminuição dos níveis de ATP e um aumento da razão NAD+/NADH. Por outro lado, os níveis de expressão de proteínas associados à biossíntese de lípidos, como a proteína de ligação a elementos reguladores de esteróis (SREBP-1) e a acetil-CoA carboxilase 1 (ACC1), revelaram-se também aumentados. Adicionalmente, verificámos um aumento dos níveis de expressão de proteínas antioxidantes, como a Sirtuin 3 (SIRT3) e a tioredoxina 1 (TRX1), podendo esta última ser secretada pelas células. Por fim, para perceber as alterações desencadeadas nas células alvo, foram também avaliados alguns aspetos metabólicos nas NSCs em condições de diferenciação, sob lesão neural. De facto, os resultados mostraram que o secretoma das boostedNSCs (boostedCM), para além de proteger a morte celular das células recetoras, induziu também um aumento dos níveis de ATP e NADH nessas células. Em suma, estes dados demonstram que as NSCs quando expostas a sinais de lesão externa apresentam profundas alterações metabólicas que resultam na produção de um secretoma protetor para as células circundantes mais diferenciadas. Por outro lado, a regulação do metabolismo das NSCs pode representar uma estratégia promissora para potenciar a inibição da neurodegenerescência em vários contextos de lesão neurológica.The discovery of neurogenesis, the process of producing neurons from neural stem cells (NSCs), in specific areas of the adult brain have attracted great therapeutic interest in restoring neural function. One important pathway of cell communication appears to also be the paracrine release of molecules, soluble factors and exosomes. Recent findings have demonstrated that stem cell-derived secretome is indeed involved in the regeneration process of damaged tissues. However, the activity of adult NSCs, including their paracrine activity, worsens with ageing and neurodegeneration, prompting urgency to discover new feasible strategies that compensate the decline of this endogenous protection throughout life. Curiously, although the metabolism is a well-established key regulator of NSC fate and recent evidence suggests it can also modulate cell secretome, the precise role of metabolism in regulating adult NSC-derived secretome has never been investigated before. Here, we aimed to explore the role of bioenergetic reprograming in improving the therapeutic profile of NSC secretome in neurodegeneration models. To evaluate the protective properties of NSC secretome, methyl-4-phenylpyridinium (MPP+)- and hydrogen peroxide (H2O2)-injured NSCs were used as target models, to mimic injured neighbouring self-renewal and differentiating NSCs. As a first approach, we evaluated the effect of some mitochondrial boosters in improving the therapeutical properties of NSC-secretome. Interestingly, our results showed that mitochondria overboosting does not enhance the protective properties of NSC-secretome but rather induces the opposite effect. We next investigated whether the exposure of a cellular damage insult would positively impact on the paracrine profile of NSCs. However, once again, the toxic stimulus appeared to only result in excessive stress of secretome producing NSCs, with production of a harmful secretome. The following approach was to incubate secretome producing NSCs with an injured conditioned medium, possibly containing inflammatory mediators and other “danger signals” capable of eliciting an adaptative protective response from NSCs to neighbouring damaged cells. These stimulated cells were called boosted NSCs and the secretome that they produced was named boostedCM. Curiously, our results showed that although boostedCM was not protective for injured self-renewing NSCs, it was capable of significantly reducing neuron-like differentiating NSC death. To explore which metabolic alterations were associated with the improvement of NSC-secretome (boostedCM), hallmarks of mitochondria dynamics, biogenesis and metabolism were analysed in boosted NSCs (secretome producing cells). Interestingly, our results demonstrated that boosted NSCs showed increased mitochondrial fragmentation, lower ATP levels and increased NAD+/NADH ratio. Additionally, nuclear levels of sterol regulatory element-binding protein (SREBP-1), a major transcription factor of lipid biosynthesis were also found significantly increased as well as other lipogenesis-associated genes, such as the acetyl-CoA carboxylase 1 (ACC1). The mRNA levels of the antioxidant proteins thioredoxin 1 (TRX1) and Sirtuin 3 (SIRT3) were also upregulated in boosted NSCs. At last, metabolic alterations were also evaluated in injury target cells. Notably, our results showed that, besides abrogating cell death, the secretome derived from boosted NSCs (boostedCM) was capable of induce metabolic changes in neighbouring target differentiating cells, increasing their ATP and NADH levels. Collectively, these data demonstrated that profound metabolic alterations occur in NSCs exposed to external injury signals which go along with the production and delivery of a protective secretome to recipient differentiating cells. Our findings may prove useful in the development of powerful and innovative therapeutic strategies to arrest neurodegeneration in several contexts of neurological injury.Com o patrocínio do Research Institute for Medicines (iMed.ULisboa), Faculdade de Farmácia, Universidade de Lisboa.Solá, SusanaRodrigues, Cecília M. P.Repositório da Universidade de LisboaSiquenique, Sónia Cristina Rebocho2023-01-27T01:31:51Z2021-01-272020-12-182021-01-27T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/10451/54110TID:202991903enginfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãoinstacron:RCAAP2023-11-08T17:00:29Zoai:repositorio.ul.pt:10451/54110Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireopendoar:71602024-03-19T22:05:05.091187Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãofalse
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