The potential therapeutic role of neural stem cell secretome in neurodegeneration: a bioenergetic approach

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Roxo, Catarina Moita
Data de Publicação: 2022
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
Texto Completo: http://hdl.handle.net/10451/54599
Resumo: Tese de mestrado, Ciências Biofarmacêuticas, 2021, Universidade de Lisboa, Faculdade de Farmácia.
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spelling The potential therapeutic role of neural stem cell secretome in neurodegeneration: a bioenergetic approachMitochondrial metabolismNeural stem cellsNeural stressNeuroregenerationSecretomeTeses de mestrado -2021Ciências da SaúdeTese de mestrado, Ciências Biofarmacêuticas, 2021, Universidade de Lisboa, Faculdade de Farmácia.A neurogénese adulta, um processo em que as células estaminais neurais (NSCs) endógenas se diferenciam numa vasta gama de linhagens neurais do cérebro, tem sido considerada como uma potencial estratégia terapêutica para travar a progressão de doenças neurológicas, incluindo a depressão. Recentemente, uma alteração de paradigma, veio sugerir que os efeitos benéficos das NSCs possam, também, depender da sua atividade parácrina, nomeadamente através da libertação de biomoléculas (secretoma). No entanto, ao longo da vida, as NSCs diminuem em número e perdem gradualmente a sua atividade parácrina em resposta à senescência cronológica e replicativa, tornando-se imprescindível a descoberta de estratégias exequíveis e eficientes para reforçar o papel terapêutico do secretoma das NSCs e compensar a degeneração neural. Curiosamente, embora a mitocôndria regule o destino das NSCs e o secretoma de todos os tipos celulares, os mecanismos metabólicos subjacentes ao potencial regenerativo do secretoma das NSCs ainda não estão totalmente esclarecidos. Neste trabalho pretendemos explorar o padrão metabólico mitocondrial das NSCs produtores de um secretoma protector, utilizando diferentes modelos de stress em NSCs. Além disso, o nosso objetivo foi, também, testar a influência de reguladores metabólicos (mitochondrial boosters) neste secretoma. Inicialmente, foram utilizadas NSCs em diferenciação tratadas com peróxido de hidrogénio (H2O2), como um modelo de células alvo e stress oxidativo. Os nossos resultados mostraram que as NSCs expostas a sinas de lesão (boosted NSCs) adquirem um fenótipo mais proliferativo, exibem maior fragmentação mitocondrial e diminuem a expressão de certas proteínas associadas à respiração e fosforilação oxidativa (OxPhos) e o número de cópias de DNA mitocondrial (mtDNA). O secretoma derivado das boosted NSCs, por sua vez, induziu um aumento do número de cópias de mtDNA nas NSCs alvo. Curiosamente, vários mitochondrial boosters, incluindo um cocktail de fatores neurotróficos que mimetiza algumas condições mediadas pelo exercício in vitro, foram também capazes de melhorar as propriedades terapêuticas do secretoma das NSCs (mitCM), uma vez que preveniram a morte celular induzida por H2O2 nas células alvo. Uma caracterização molecular mais profunda das NSCs produtoras de mitCM demonstrou que o aumento da fissão mitocondrial também estava presente nestas células, mas, neste contexto, encontrava-se associado a um aumento do número de cópias de mtDNA. No que diz respeito ao efeito dos mitochondrial boosters nas proteínas associadas a OxPhos, observámos um aumento significativo de várias proteínas associadas não relacionadas com a produção de ATP. Curiosamente, de acordo com o previamente observado no boostedCM, o mitCM também induziu um aumento do número de cópias de mtDNA nas NCS alvo. Finalmente, para compreender melhor o papel do metabolismo das NSCs na sua plasticidade in vivo, as NSCs foram estimuladas com soro proveniente de ratinhos deprimidos, utilizando um modelo animal de stress crónico e imprevisível ligeiro (uCMS), e o seu secretoma testado in vitro em céulas alvo em stress oxidativo. Estas NSCs foram denominadas de uCMS-boosted NSCs e o seu secretoma de uCMS boosted-CM. Surpreendentemente, os nossos resultados demonstraram que as propriedades neuroprotectoras do uCMS boosted-CM eram mais elevadas, quando comparado com o CM proveniente de NSCs estimuladas com soro derivado de ratinhos saudáveis. De realçar que, a caracterização metabólica das uCMS-boosted NSCs revelou que estas células sofreram também várias alterações metabólicas quando comparadas com as NSCs estimuladas com soro derivado de ratos saudáveis, exibindo um fenótipo mais proliferativo e um aumento da fissão mitocondrial e da sua biogénese. Concomitantemente, o soro de ratinhos deprimidos induziu a diferenciação de NSCs, que por sua vez, pareceu estar associada a elevadas as taxas de oxidação de ácidos gordos e OxPhos para a produção de energia. Coletivamente, estes dados demonstram que NSC expostas a sinais externos de lesão ou de reforço metabólico sofrem alterações metabólicas profundas que acompanham a produção de um secretoma neuroprotector para células lesadas em processo de diferenciação.Adult neurogenesis, a process in which endogenous neural stem cells (NSCs) differentiate into a wide range of neural lineages of the adult brain, has been considered as a potential therapeutic strategy to arrest the progression of neurological disorders, including depression. Recently, a paradigm shift has emerged suggesting that the beneficial effects of NSCs may also rely on their paracrine activity, namely by releasing biomolecules (secretome). However, throughout life, NSCs decline and gradually lose their paracrine activity in response to chronological and replicative senescence, prompting urgency in exploring efficient strategies capable of enhancing the therapeutic role of NSC secretome and compensate neural degeneration. Interestingly, although mitochondria regulate neural stem cell fate and the secretome of all cell type, the underlying metabolic mechanisms responsible for the regenerative potential of NSC secretome are still largely unclear. Therefore, we aimed to further explore the mitochondrial metabolic signature of NSC-producing a protective secretome, using different models of NSC stress. Further, we aimed to also test the influence of known metabolic regulators on the NSC secretome-associated therapeutic properties. Initially, hydrogen peroxide (H2O2)-treated differentiating NSCs were used as target models of neighbouring injured neuron-like differentiating cells. Our results showed that boosted NSCs acquire a more proliferative fate, exhibit increased mitochondrial fragmentation and diminish certain proteins associated with respiration and oxidative phosphorylation (OxPhos), as well as the mitochondrial DNA (mtDNA) copy number. The secretome derived from boosted NSCs (boosted CM), in turn, induced an increase in mtDNA copy number in target NSCs. Curiously, several mitochondrial boosters, including a cocktail of neurotrophin factors that mimic in vitro exercise-mediated effects, were also capable of improving the therapeutic properties of NSC-secretome (mitCM) since they abrogated H2O2-induced death of neuron-like differentiating NSCs. A deeper molecular characterization of these mitCM-producing NSCs showed that increased mitochondrial fission was also present in these cells but in this this context, was associated with an increased mtDNA copy number. Regarding the effect of mitochondrial boosters on OxPhos-associated proteins, we observed a significant increase of several OxPhos-associated proteins not related with ATP production. In agreement with what observed for the boosted CM, mitCM also induced an increase of mtDNA copy number in in target NSCs. At last, to further understand the role of metabolism in NSC plasticity in vivo, NSCs were stimulated with serum derived from depressed mice, using the animal model of unpredictable chronic mild stress (uCMS). These NSCs were named uCMS-boosted NSCs and their secretome, uCMS boosted-CM. Surprisingly, our results showed that uCMS boosted-CM was more efficient in preventing cell death of neuron-like differentiating cells, when compared with NSC stimulated with serum derived from healthy mice. More importantly, the metabolic characterization of uCMS-boosted NSCs revealed that these cells undergo to several metabolic changes when compared with NSC stimulated with serum derived from healthy mice, exhibiting a more proliferative phenotype and increased mitochondrial fission and biogenesis. Concomitantly, the uCMS boosted-CM appeared to also enhance NSC differentiation, associated with enhanced fatty acid oxidation (FAO) and OxPhos rates for energy production. Collectively, these data demonstrate that profound metabolic alterations occur in NSCs exposed to external injury signals or metabolic boosters that go along with the production and delivery of a protective secretome to injured differentiating recipient cells.Cruz, Susana Zeferino Solá daMiranda, Joana Paiva GomesRepositório da Universidade de LisboaRoxo, Catarina Moita2024-02-04T01:32:23Z2022-02-042022-01-282022-02-04T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/10451/54599TID:203015509enginfo: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:RCAAP2024-02-05T01:21:41Zoai:repositorio.ul.pt:10451/54599Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireopendoar:71602024-03-19T22:05:23.478931Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãofalse
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