Enriquecimento ambiental como estratégia para promover a neurogênese na doença de Alzheimer: possível participação da fosfolipase A2

Environmental enrichment as strategy to promote neurogenesis in Alzheimer disease: possible participation of phospholipase A2

REVISÃO DA LITERATURA

Enriquecimento ambiental como estratégia para promover a neurogênese na doença de Alzheimer: possível participação da fosfolipase A₂

Environmental enrichment as strategy to promote neurogenesis in Alzheimer disease: possible participation of phospholipase A₂

Evelin L. Schaeffer

Pesquisadora no Laboratório de Neurociências (LIM-27) do Instituto de Psiquiatria do Hospital das Clínicas da Faculdade de Medicina da Universidade de São Paulo (IPq-HC-FMUSP), doutora em Fisiopatologia Experimental pela FMUSP, São Paulo, SP

^{Endereço para correspondência}

RESUMO

CONTEXTO: Com a descoberta de que a neurogênese constitutiva persiste no cérebro adulto, surgiu a hipótese na literatura de que a doença de Alzheimer (DA) poderia ser superada, ou pelo menos melhorada, visto que a geração de novos neurônios poderia ajudar a compensar a perda de neurônios na doença.

OBJETIVOS: Neste trabalho, foi revisada a literatura sobre a neurogênese endógena no cérebro de sujeitos com DA e modelos animais de DA, os efeitos de atividade cognitiva sobre a neurogênese, e a relação entre a enzima fosfolipase A₂ (PLA₂) e a neurogênese.

MÉTODOS: A base de dados MedLine foi pesquisada utilizando as palavras-chave doença de Alzheimer, atividade cognitiva, fosfolipase A₂, neurogênese e neuritogênese.

RESULTADOS: A revisão da literatura evidenciou neuroproliferação aumentada no cérebro com DA, no entanto, os novos neurônios falham em se diferenciar em neurônios maduros. Uma estratégia não farmacológica, ambiente enriquecido, aumenta a neurogênese (incluindo amadurecimento neuronal) em animais experimentais. Relação entre PLA₂ e neurogênese tem sido demonstrada em modelos experimentais in vitro e in vivo.

CONCLUSÃO: Os dados indicam que o enriquecimento ambiental (com estimulações cognitiva e física) poderia ser uma estratégia apropriada para promover a neurogênese endógena na DA e sugerem a participação da PLA₂ na neurogênese promovida por estimulação cognitiva.

Palavras-chave: Doença de Alzheimer, atividade cognitiva, fosfolipase A₂, neurogênese e neuritogênese.

ABSTRACT

BACKGROUND: With the discovery that constitutive neurogenesis persists in the adult brain, has emerged the hypothesis in the literature that Alzheimer disease (AD) could be overcome, or at least ameliorated, since the generation of new neurons might help to compensate for the loss of neurons in the disease.

OBJECTIVES: In this work the literature on endogenous neurogenesis in the brain of subjects with AD and animal models of AD, the effects of cognitive activity on neurogenesis, and the relationship between the enzyme phospholipase A₂ (PLA₂) and neurogenesis was reviewed.

METHODS: MedLine database was searched using the keywords Alzheimer disease, cognitive activity, phospholipase A₂, neurogenesis, and neuritogenesis.

RESULTS: The literature review evidenced increased neuroproliferation in AD brain, however, the new neurons fail to differentiate into mature neurons. A non-pharmacological strategy, enriched environment, increases neurogenesis (including neuronal maturation) in experimental animals. Relationship between PLA₂ and neurogenesis has been demonstrated in in vitro and in vivo experimental models.

DISCUSSION: The data indicate that environmental enrichment (with cognitive and physical stimulations) might be a suitable strategy to promote endogenous neurogenesis in AD, and suggest the participation of PLA₂ in the neurogenesis promoted by cognitive stimulation.

Keywords: Alzheimer disease, cognitive activity, phospholipase A₂, neurogenesis, neuritogenesis.

Introdução

A suposição secular de que novas células nervosas não se originam após o desenvolvimento embrionário foi suplantada com a descoberta de duas áreas privilegiadas do cérebro de mamíferos adultos (roedores, macacos e humanos) onde a neurogênese, o nascimento de novos neurônios, ocorre constitutivamente: (a) a zona subgranular (subgranular zone; SGZ) do giro denteado do hipocampo e (b) a zona subventricular (subventricular zone; SVZ) dos ventrículos laterais¹. O processo de neurogênese adulta compreende a proliferação de células-tronco e progenitoras neurais residentes e sua subsequente migração, diferenciação em neurônios maduros e integração funcional na rede neuronal preexistente. Assim, a partir das duas zonas neurogênicas, os novos neurônios migram em direção a seus alvos finais em outras áreas cerebrais onde se diferenciam e integram aos circuitos locais². Novos neurônios deixando a SGZ migram para a camada celular granular (granule cell layer; GCL) adjacente do giro denteado^3,4. Neurônios que se originam na SVZ migram para o bulbo olfatório^5-7. Novos neurônios residindo na SVZ também entram no neocórtex de associação (córtices pré-frontal, temporal inferior e parietal posterior)⁸, estriado⁶, córtex piriforme⁹, amídala e córtex entorrinal lateral¹⁰. Tem sido relatado que a neurogênese ocorre em outras áreas do cérebro adulto, tais como neocórtex^11,12, sub-regiões CA do hipocampo (CA1, CA2-3)¹³, amídala, córtex piriforme¹², substância negra¹⁴ e III ventrículo¹⁵, mas esses dados têm sido fonte de debates e controvérsias e ainda precisam ser confirmados.

A doença de Alzheimer (DA), a causa mais comum de demência, é caracterizada pela presença no cérebro de placas senis extracelulares contendo peptídeo β-amiloide (Aβ) derivado da proteνna precursora de amiloide (APP), e de emaranhados neurofibrilares intracelulares contendo proteína Tau hiperfosforilada. Essas alterações induzem disfunção e degeneração neuronal progressivas, resultando em atrofia cerebral grave e déficits cognitivos^16,17. A neurodegeneração na DA ocorre no giro denteado e na sub-região CA1 do hipocampo, no córtex entorrinal^18-26 e no neocórtex de associação (córtex parietotemporal, córtex temporal inferolateral, córtex pré-frontal)^27-32 mesmo em estágios iniciais. Com a descoberta de que a neurogênese constitutiva persiste no cérebro de mamíferos adultos, incluindo regiões cerebrais afetadas pela DA, surgiu a hipótese na literatura de que a DA poderia ser superada, ou pelo menos melhorada, uma vez que a geração de novos neurônios poderia ajudar a compensar a perda de neurônios na doença. Em vista dessa hipótese, os principais objetivos deste trabalho foram revisar a literatura sobre a ocorrência de neurogênese endógena no cérebro de sujeitos com DA e modelos animais de DA, bem como os efeitos de atividade cognitiva sobre a neurogênese em animais experimentais. Esse segundo objetivo se baseia em estudos mostrando que treinamento cognitivo tem sido realizado clinicamente e tem sido eficaz na melhora da função de memória em sujeitos idosos com comprometimento cognitivo leve^33-35 e DA inicial^36-38. Com base em estudos recentes de nosso laboratório mostrando que treinamento de memória aumenta a atividade da enzima fosfolipase A₂ (PLA₂) em animais experimentais^39,40 e sujeitos idosos sadios⁴¹, um terceiro objetivo deste trabalho foi revisar a literatura sobre a relação entre a PLA₂ e a neurogênese.

Métodos

A base de dados MedLine foi pesquisada sem restrições de data para todos os artigos publicados escritos em inglês utilizando as palavras-chave doença de Alzheimer, atividade cognitiva, fosfolipase A₂, neurogênese e neuritogênese. Somente artigos relacionados aos objetivos desta revisão que foram identificados por meio da pesquisa na MedLine foram incluídos. As listas de referências dos artigos identificados foram examinadas para selecionar estudos adicionais de interesse.

Resultados

Neurogênese endógena na doença de Alzheimer

Neurogênese adulta no tecido cerebral danificado de sujeitos com DA tem se tornado foco de interesse e diversos estudos têm sido conduzidos em ambos, tecido cerebral humano postmortem e modelos animais experimentais. Diversos estudos recentes têm fornecido evidência de que a neurogênese endógena pode estar ativa no cérebro de sujeitos com DA. Por exemplo, expressão aumentada da proteína Ki-67, um marcador de proliferação celular, foi encontrada em núcleos de neurônios do hipocampo (todas as sub-regiões juntas) de sujeitos com DA senil⁴². Além disso, expressão aumentada de marcadores de neurônios imaturos, tais como doublecortin (DCX) e TUC-4, foi relatada no hipocampo de sujeitos com DA senil. Mais especificamente, expressão aumentada de DCX e TUC-4 se associou com neurônios na SGZ e na GCL; DCX se colocalizou com a molécula de adesão celular neuronal polissialilada (PSA-NCAM), uma glicoproteína da membrana plasmática expressada por progenitores neurais e por neurônios e astrócitos em diferenciação em resposta a insultos tóxicos. Expressão aumentada de DCX também se associou com neurônios na sub-região CA1 do hipocampo. Um aumento da proteína fator de diferenciação neurogênica (NeuroD), um marcador da diferenciação neuronal terminal, também foi encontrado no hipocampo com DA, mas em extensão menor. Ao contrário, nenhum aumento da expressão da proteína calbindina e da proteína nuclear específica de neurônios (NeuN), marcadores de neurônios maduros, foi observado no hipocampo⁴³. Essa falta de aumento dos marcadores de neurônios maduros no hipocampo com DA tem sido recentemente confirmada por Li et al.⁴⁴, os quais relataram uma diminuição dramática da expressão da proteína associada aos microtúbulos (MAP), um marcador de neurônios maduros, mais especificamente das isoformas MAP2a e MAP2b, no giro denteado de sujeitos com DA senil. Em outro estudo, expressão aumentada de Ki-67 foi observada em núcleos neuronais do córtex entorrinal, e expressão aumentada da proteína de manutenção de minicromossomas 2 (MCM2), um marcador de replicação cromossomal, foi vista em núcleos de neurônios do córtex temporal medial de sujeitos com DA senil⁴⁵.

Atividade progenitora na outra principal zona neurogênica, a SVZ, também foi investigada no cérebro de sujeitos com DA senil, utilizando anticorpos para as proteínas Musashi-1 e nestina. Anti-Musashi-1 reage com células proliferativas, não diferenciadas no sistema nervoso central⁴⁶. A expressão de nestina poderia indicar o começo da diferenciação em direção a células neuronais⁴⁷. Uma diminuição significativa da imunorreatividade para Musashi-1, a qual marcou células pequenas, foi identificada na SVZ de sujeitos com DA. As células marcadas com Musashi-1 mostraram poucos processos neuronais e não tinham as características de astrócitos, sugerindo uma redução de progenitores neurais não diferenciados. Ao contrário, um aumento significativo da imunorreatividade para nestina, a qual marcou predominantemente células grandes, foi identificado na mesma região. As células marcadas com nestina não eram astrócitos, sugerindo que um aumento da atividade progenitora mais cedo no curso da doença resultou em um aumento de progenitores neurais residuais, permanecendo nos estágios intermediários de diferenciação⁴⁸. Dados descritos nesse parágrafo e no anterior são resumidos na tabela 1.

Em diversos modelos de DA em camundongos, tem sido demonstrado que a neurogênese e o número de novos neurônios maduros nas sub-regiões hipocampais estão significativamente aumentados em estágio inicial de neurodegeneração (estágio de início de placas de Aβ) e que, embora a neurogênese e a diferenciação dos novos neurônios em um fenótipo maduro estejam ainda significativamente aumentadas em estágio tardio de neurodegeneração (estágio de acúmulo de placas de Aβ), elas estão prejudicadas em comparação com o estágio inicial. Por exemplo, Jin et al.⁴⁹ investigaram o efeito da patologia da DA sobre o processo de neurogênese no camundongo transgênico PDGF-APP_Sw,Ind, o qual expressa as mutações sueca e indiana do gene APP. Esse camundongo exibe depósitos de Aβ extracelulares e perda sináptica, bem como perda neuronal leve detectáveis a partir dos 6 aos 9 meses de idade. De fato, os pesquisadores encontraram deposição de Aβ ao 1º ano de idade (estágio tardio de neurodegeneração), mas não aos 3 meses (estágio sem neurodegeneração). Em camundongos PDGF-APP_Sw,Ind de 3 meses de idade, a proliferação de progenitores neurais (marcações de DCX e bromodeoxyuridine [BrdU], um análogo da timidina que se incorpora ao DNA de células mitóticas) estava aumentada ~2 vezes na SGZ. Ao 1º ano de idade, a proliferação em camundongos controles estava reduzida a ~10% dos níveis medidos aos 3 meses, mas o número de progenitores neurais estava ~2 vezes tão alto na SGZ de camundongos PDGF-APP_Sw,Ind quanto de camundongos controles. Ao 1º ano de idade, mas não aos 3 meses, camundongos PDGF-APP_Sw,Ind mostraram proliferação neuronal aumentada na SVZ. Da mesma forma, López-Toledano e Shelanski⁵⁰ relataram que camundongos PDGF-APP_Sw,Ind mostram proliferação e diferenciação neuronal aumentadas no hipocampo aos 3 meses de idade, que revertem quando os animais se tornam mais velhos. Eles relataram também que o aumento da diferenciação neuronal se correlacionou com níveis detectáveis de Aβ oligomérico (uma forma "solúvel" de Aβ antes de sua deposição em placas), assim concluindo que Aβ oligomérico induz neurogênese diretamente in vivo como tem sido demonstrado in vitro⁵¹. Donovan et al.⁵² examinaram o processo de neurogênese no camundongo transgênico PDAPP (APP_Ind), o qual tem progressão de placas de Aβ e declínio cognitivo dependentes da idade. Ao 1º ano de idade, esse camundongo tem inúmeras placas de Aβ_1-42 no neocórtex e no hipocampo (SGZ, GCL externa e hilus), enquanto aos 2 meses ele é negativo para placas de Aβ. Em camundongos PDAPP e controles de 2 meses, os pesquisadores encontraram um número similar de células proliferativas (marcação de BrdU) por todo o giro denteado. Ao 1º ano de idade, camundongos PDAPP tiveram proliferação diminuída de neurônios imaturos (marcação de DCX) na SGZ. Ao contrário, camundongos PDAPP tiveram proliferação aumentada de neurônios imaturos na GCL externa. Após 4 semanas, a porcentagem de células que havia se diferenciado em neurônios maduros (marcação de NeuN) na SGZ e na GCL externa juntas foi similar em camundongos PDAPP e controles. Gan et al.⁵³ investigaram os efeitos de placas de Aβ sobre o processo de neurogκnese em camundongos bitransgênicos contendo ambos os transgenes, PDGF-APP_Sw,Ind e pNes-LacZ, os quais têm início e progressão de placas de Aβ dependentes da idade no neocórtex e no hipocampo (todas as sub-regiões juntas) em associação com declínio cognitivo. Camundongos bitransgênicos de 2, 8 e 12 meses de idade, correspondendo aos estágios livre de placas de Aβ, de início de placas e de acúmulo de placas, respectivamente, mostraram um aumento leve de células proliferativas (marcação de BrdU) no estágio livre de placas de Aβ, um aumento significativo no estágio de início de placas, e uma diminuição no estágio de acúmulo de placas no giro denteado, bem como na SGZ e na GCL externa separadas. Adicionalmente, um aumento leve de neurônios maduros (marcação de NeuN) foi observado no estágio livre de placas de Aβ e um aumento significativo foi visto nos estágios de início e acúmulo de placas no giro denteado de camundongos bitransgênicos, embora um nível maior tenha sido observado no estágio de início de placas de Aβ.

Chen et al.⁵⁴ também relataram que a neurogênese no giro denteado é dependente do estágio de neurodegeneração. Em camundongos duplo knockout para presenilina-1/presenilina-2 (PS1/PS2), os pesquisadores encontraram perda neuronal no córtex cerebral e no giro denteado, mas gravidade maior foi vista no córtex, em ambos os estágios, inicial (7-9 meses de idade) e tardio (18-20 meses de idade) de neurodegeneração. No córtex cerebral, um aumento leve de células proliferativas (marcação de BrdU) foi encontrado em camundongos PS1/PS2 em ambos os estágios de neurodegeneração. No giro denteado, um aumento significativo de células proliferativas foi detectado em camundongos PS1/PS2 em estágio inicial de neurodegeneração; com o envelhecimento, essa capacidade de proliferação diminuiu, mas um aumento significativo foi ainda observado em comparação com camundongos controles. As células proliferativas no giro denteado mostraram um fenótipo neuronal imaturo (marcação de DCX) em ambos os estágios de neurodegeneração, embora um nível muito maior tenha sido observado em estágio inicial; 2 semanas mais tarde, os novos neurônios se diferenciaram em neurônios maduros (marcação de NeuN) em ambos os estágios, e 4 semanas mais tarde, ~22%-25% dos novos neurônios migraram para a GCL e ~6%-7% para o hilus em camundongos PS1/PS2 e controles. No entanto, em estágio inicial de neurodegeneração, o número total de novos neurônios no giro denteado de camundongos PS1/PS2 foi significativamente maior do que em camundongos controles. Finalmente, Zhang et al.⁵⁵ examinaram camundongos duplo knockin para APP/PS1. Esses camundongos mostraram deposição de Aβ dependente da região cerebral e da idade com início por volta dos 6 meses (estágio inicial de neurodegeneração) e exibiram ativação microglial associada com placas de Aβ por volta dos 9 meses (estαgio tardio de neurodegeneração). Aos 9 meses de idade, camundongos APP/PS1 mostraram uma redução do número de células progenitoras neurais em três vezes e de neurônios imaturos em duas vezes no giro denteado. Dados descritos nesse parágrafo e no anterior são resumidos na tabela 2.

Treinamento cognitivo como estratégia para promover a neurogênese na doença de Alzheimer

Muitos cientistas ao redor do mundo estão buscando por estratégias para aumentar a neurogênese endógena no cérebro de sujeitos com DA e retardar ou impedir a progressão da doença. Uma medida poderia ser a atividade cognitiva. Nesse sentido, um estudo de coorte prospectivo realizado em uma comunidade do norte de Manhattan, Nova Iorque, com 593 indivíduos não demenciados com 60 anos de idade ou mais, durante um período de 4 anos, mostrou que o risco de demência estava aumentado em sujeitos tanto com baixa escolaridade quanto com baixo tempo de envolvimento ocupacional. O risco foi maior para sujeitos com ambos, baixa escolaridade e baixo tempo de envolvimento ocupacional⁵⁶. Um estudo seccional-cruzado conduzido na população de Rotterdam (Holanda) com 7.528 indivíduos com 55-106 anos de idade, durante um período de 4 anos, demonstrou uma prevalência de demência substancialmente maior em sujeitos com baixo nível educacional. Entre os sujeitos com os dois níveis educacionais mais baixos, significativamente mais demência foi diagnosticada do que entre aqueles com o nível educacional mais alto. Três quartos de todas as demências foram devido à DA. Da mesma forma, para a DA, os dois níveis educacionais mais baixos foram associados com risco relativo de demência aumentado. A tendência de uma prevalência de demência mais alta com menos educação foi altamente significativa. Tendências similares foram observadas para a DA. O risco relativo de demência diminuiu com o aumento do estado educacional⁵⁷.

Pessoas com nível educacional mais alto têm reserva cognitiva maior. Isso pode ser explicado pelo fato de que níveis educacionais maiores levam a mais engajamento em atividades cognitivamente estimuladoras, e reserva cognitiva pode se basear em nível educacional e envolvimento ocupacional aumentados⁵⁸. O termo reserva cognitiva é algumas vezes utilizado para se referir diretamente ao tamanho do cérebro ou à densidade sináptica no córtex. Em outros momentos, reserva cognitiva é definida como a habilidade para compensar uma patologia cerebral adquirida⁵⁹. Em um estudo conduzido por Katzman et al.⁵⁸, foi realizado exame postmortem em 137 residentes (idade média de 85,5 anos) de uma moradia para enfermeiras especializadas cujos estado mental, memória e estado funcional foram avaliados ao longo da vida. Os pesquisadores encontraram que 10 sujeitos, cujos desempenhos funcional e cognitivo foram tão bons quanto ou melhores do que os desempenhos do quinto superior de residentes sem patologia cerebral (sujeitos controles), mostraram os aspectos patológicos de DA leve, com muitas placas de Aβ neocorticais. As contagens de placas foram 80% daquelas de sujeitos com DA grave, enquanto os níveis de colina acetiltransferase (marcador de neurônios colinérgicos) foram intermediários entre controles e sujeitos com DA. Os achados inesperados nesses sujeitos foram pesos cerebrais mais altos e número maior de neurônios no córtex cerebral em comparação com sujeitos controles. Os pesquisadores concluíram que esses indivíduos podem ter tido DA incipiente, mas escaparam da perda de grande número de neurônios ou, alternativamente, começaram com cérebros maiores e mais neurônios e assim poder-se-ia dizer que têm tido uma reserva maior. De acordo com isso, um estudo de coorte prospectivo conduzido em uma comunidade do norte de Manhattan, Nova Iorque, com 1.772 indivíduos não demenciados com 65 anos de idade ou mais, por até 7 anos (média de 2,9 anos), mostrou que o risco de demência estava diminuído em sujeitos com engajamento alto em atividades de lazer. Os pesquisadores concluíram que tal engajamento pode reduzir o risco de demência possivelmente ao fornecer uma reserva que retarda o início das manifestações clínicas da doença⁶⁰. Um estudo de coorte longitudinal realizado nos Estados Unidos com 801 freiras, padres e irmãos católicos idosos sem demência, durante um seguimento médio de 4,5 anos, sugeriu que a participação frequente em atividades cognitivamente estimuladoras (assistir à televisão, ouvir música, ler jornais, revistas e livros, jogar cartas, xadrez, palavras-cruzadas e quebra-cabeças, e ir a museus) na velhice está associada com um risco reduzido de DA⁶¹.

Diversos estudos em animais de laboratório têm mostrado um aumento no processo de neurogênese no hipocampo em resposta a estímulos fisiológicos, tais como aprendizagem e memória. Por exemplo, exposição a um ambiente enriquecido com oportunidades para interação social, exploração e atividade física aumentou a proliferação celular, a sobrevivência de novos neurônios e o número de neurônios maduros no giro denteado de camundongos adultos^62,63. Estimulação ambiental também aumentou a sobrevivência de novos neurônios no giro denteado de ratos adultos⁶⁴ e camundongos velhos⁶⁵. Adicionalmente, ratos adultos mantidos em um ambiente enriquecido mostraram desempenho melhorado em uma tarefa de aprendizagem espacial⁶⁴. O treinamento em tarefas de aprendizagem associativa que requerem o hipocampo aumentou a sobrevivência de novos neurônios imaturos no giro denteado de ratos adultos^66,67. O treinamento em uma tarefa de aprendizagem espacial dependente do hipocampo (labirinto aquático de Morris) também aumentou a sobrevivência de novos neurônios imaturos no giro denteado de ratos adultos^68-70. Além disso, camundongos transgênicos APP23 (um modelo de DA) com 10 semanas de idade, submetidos à exposição de longa duração (1 mês) a um ambiente enriquecido, mostraram – apesar do acúmulo estável de placas de Aβ – desempenho aumentado no labirinto aquático, número aumentado de novos neurônios imaturos no giro denteado e produção hipocampal aumentada de fatores neurotróficos como fator neurotrófico derivado do cérebro (BDNF), em comparação com camundongos APP23 vivendo em condições padrão⁷¹. Camundongos APP23 com 18 meses de idade, submetidos a um ambiente enriquecido ou exercício físico, mostraram – apesar do acúmulo estável de placas de Aβ – razão Aβ_1-42/Aβ_1-40 hipocampal reduzida quando comparados com animais submetidos a condições padrão. Nessa idade, ambos, enriquecimento ambiental e exercício físico, aumentaram o número de células granulares imaturas no giro denteado de camundongos APP23 quando comparados com animais em condições padrão. Enriquecimento ambiental aumentou o número de neurônios imaturos mais do que exercício físico, indicativo de um potencial aumentado para recrutar mais neurônios novos e sugestivo de que enriquecimento ambiental poderia contribuir para uma "reserva neurogênica" apesar do acúmulo estável de placas de Aβ⁷². Finalmente, um estudo recente conduzido por Herring et al.⁷³ em camundongos transgênicos com patologia da DA (TgCRND8) mostrou que enriquecimento ambiental com ambas as estimulações, cognitiva e física, aumenta o número de novos neurônios maduros no hipocampo. Dados descritos nesse parágrafo são resumidos na tabela 3.

Possível participação da fosfolipase A₂ na neurogênese promovida por treinamento cognitivo

Estudos de neurobiologia têm mostrado mudanças em sujeitos idosos sadios com níveis mais altos de atividade cognitiva. Em um estudo recente conduzido em nosso laboratório, investigamos o efeito de treinamento cognitivo na atividade da enzima fosfolipase A₂ (PLA₂) em plaquetas de sujeitos idosos sadios⁴¹. A PLA₂ é uma família de enzimas hidrolíticas que catalisam a clivagem de ácidos graxos da posição sn-2 de glicerofosfolipídeos de membranas para gerar ácidos graxos livres (geralmente ácido araquidônico) e lisofosfolipídeos (principalmente lisofosfatidilcolina), os quais são mediadores importantes na transdução de sinais^74,75. A família de enzimas PLA₂ é classificada em três grupos principais: (a) PLA₂ extracelular ou secretada dependente de cálcio (sPLA₂), (b) PLA₂ citosólica dependente de cálcio (cPLA₂) e (c) PLA₂ intracelular independente de cálcio (iPLA₂)⁷⁶. Plaquetas são utilizadas frequentemente como marcadores biológicos para neurônios porque eles compartilham algumas propriedades de membrana e receptores⁷⁷. Estudos anteriores de nosso laboratório mostraram atividade reduzida da PLA₂ nos córtices parietal e frontal postmortem de sujeitos com DA, a qual se correlacionou com a gravidade da demência e a densidade de placas senis e emaranhados neurofibrilares^78-80. Além disso, encontramos atividade diminuída da PLA₂ em plaquetas de pacientes com DA⁷⁹. Os achados no cérebro foram confirmados por Ross et al.⁸¹, os quais relataram atividades reduzidas da cPLA₂ e da iPLA₂ nos córtices parietal e temporal postmortem de sujeitos com DA, bem como atividade diminuída da cPLA₂ no hipocampo. Atividade diminuída da iPLA₂ também foi encontrada no córtex pré-frontal postmortem de sujeitos com variante frontal da DA⁸². Mais recentemente, observamos que atividade mais baixa da iPLA₂ em plaquetas se correlacionou com a gravidade do declínio cognitivo, em amostras de pacientes com comprometimento cognitivo leve e DA⁸³.

No estudo de Talib et al.⁴¹, 32 sujeitos idosos sem prejuízo cognitivo foram submetidos randomicamente a treinamento de memória ou somente cuidado padrão. Ambos os grupos foram avaliados cognitivamente pelo mesmo protocolo, e o grupo experimental foi submetido a uma intervenção de treinamento de memória de quatro sessões. Após 1 mês, os sujeitos no grupo experimental tiveram atividades significativamente aumentadas da cPLA₂, da sPLA₂ e da PLA₂ total, e atividade significativamente diminuída da iPLA₂, em plaquetas. Adicionalmente, estudos de nosso laboratório em animais experimentais mostraram que o treinamento de ratos em uma tarefa de memória contextual (esquiva inibitória de descida da plataforma) aumentou a atividade da PLA₂ na sub-região CA1 do hipocampo e nos córtices frontal e parietal postmortem^39,40. Em um estudo de espectroscopia por ressonância magnética (MRS), Valenzuela et al.⁸⁴ relataram uma elevação dos sinais de colina e creatina no hipocampo de idosos sadios após cinco semanas de treinamento de memória. Aqueles em risco para disfunção neuronal, como indicado por neurometabólitos mais baixos na avaliação inicial, demonstraram os maiores aumentos na MRS após o treinamento. Os pesquisadores concluíram que tais mudanças poderiam ser um marcador de plasticidade neuronal aumentada nesses indivíduos. É interessante notar que o sinal de colina é constituído de metabólitos da fosfatidilcolina (principal substrato da PLA₂), especialmente glicerofosfocolina, fosfocolina e colina livre⁸⁵. Treinamento cognitivo também tem sido realizado clinicamente e tem sido eficaz na melhora da função de memória em sujeitos idosos com comprometimento cognitivo leve^33-35 e DA inicial^36-38.

A relação entre a PLA₂ bem como entre seus metabólitos (ácido araquidônico e lisofosfatidilcolina) e o crescimento de neuritos tem sido avaliada em diversos modelos de cultura de células. Por exemplo, em culturas de neurônios cerebelares tratadas com o ativador da PLA₂ melitina ou um inibidor não seletivo da PLA₂ ou com ácido araquidônico, foi mostrado o envolvimento do ácido araquidônico em uma via de sinalização intracelular que leva ao crescimento de neuritos^86,87. De acordo com isso, o crescimento de neuritos foi estimulado em células NG108-15 híbridas com neuroblastos (precursores neurais) de camundongos/gliomas de ratos superexpressando ciclo-oxigenase-2 (enzima que metaboliza o ácido araquidônico) e mostrando níveis elevados de prostaglandina E₂ (produto do metabolismo do ácido araquidônico pela ciclo-oxigenase-2). Nas células NG108-15, os níveis de Aβ e uma forma secretada de APP também estavam aumentados⁸⁸. Posteriormente, foi relatado que a expressão de sPLA₂ – subtipo sPLA₂-X – em células PC12 de ratos facilitou o crescimento de neuritos, especialmente quando combinada com uma concentração subótima de fator de crescimento neural (NGF). De acordo com isso, a extensão de neuritos de células PC12 induzida por NGF foi atenuada por um anticorpo ou um RNA de interferência para sPLA₂-X. Em células PC12 diferenciadas em neurônios, a sPLA₂-X se localizou preferencialmente no aparelho de Golgi e no cone de crescimento. O efeito neuritogênico da sPLA₂-X foi mediado pela produção de lisofosfatidilcolina^89,90. Além disso, foi demonstrado que a sPLA₂-X protegeu neurônios granulares cerebelares em cultura contra apoptose; esse efeito neurotrófico, promotor de sobrevivência, se correlacionou com a extensão da liberação de ácido araquidônico induzida pela sPLA₂-X⁹¹. Em um estudo recente, Masuda et al.⁹² demonstraram que a expressão de sPLA₂ – subtipo sPLA₂-III – em células PC12 facilitou o crescimento de neuritos, enquanto a expressão de um mutante da sPLA₂-III cataliticamente inativo ou o uso de um RNA de interferência para sPLA₂-III reduziram a neuritogênese induzida por NGF. A sPLA₂-III também controlou a morte neuronal induzida por privação de NGF; esses efeitos neuritogênico e neurotrófico foram mediados pela formação de lisofosfatidilcolina. Ambas, cPLA₂ e iPLA₂, podem desempenhar um papel no crescimento e diferenciação de neuritos, como sugerido inicialmente pelo estudo de Smalheiser et al.⁹³, em que o ácido araquidônico aumentou a neuritogênese em culturas de células NG108-15, enquanto a administração de um inibidor dual da cPLA₂ e da iPLA₂ retardou o crescimento de neuritos. Em um estudo recente conduzido em nosso laboratório, investigamos os efeitos do tratamento crônico de culturas primárias de neurônios de ratos com um inibidor dual da cPLA₂ e da iPLA₂ ou um inibidor seletivo da iPLA₂, e demonstramos que a inibição inicial e sustentada da PLA₂ impediu o desenvolvimento in vitro de neurônios corticais e hipocampais primários. Além disso, a inibição da PLA₂ prejudicou a viabilidade de ambos os neurônios, imaturos e maduros, afetando a morfologia de seus neuritos⁹⁴.

Finalmente, a relação entre enzimas que metabolizam o ácido araquidônico – 5-lipoxigenase e ciclo-oxigenase-2 – bem como entre o metabólito prostaglandina E₂ e a neurogênese (o nascimento de novos neurônios) tem sido investigada em culturas de neurônios e/ou cérebro adulto. Por exemplo, em culturas primárias de neurônios granulares cerebelares de ratos e culturas de neuroblastos humanos (células NT2) expressando 5-lipoxigenase, foi observada proliferação dos neurônios imaturos, a qual foi reduzida pelo tratamento com inibidores da 5-lipoxigenase^95,96. O envolvimento da ciclo-oxigenase-2 e da prostaglandina E₂ na neurogênese tem sido descrito no cérebro de roedores adultos. Inicialmente, foi relatado que a infusão de um análogo da prostaglandina E₂ no hipocampo de ratos adultos aumentou a proliferação celular na SGZ; as células proliferativas também expressaram o marcador de diferenciação celular PSA-NCAM e o marcador de neurônios maduros NeuN⁹⁷. Posteriormente, foi observado que o tratamento de camundongos adultos com inibidores da ciclo-oxigenase-2 mascarou o aumento da proliferação de progenitores neurais no giro denteado induzido por isquemia cerebral global. Adicionalmente, camundongos knockout para ciclo-oxigenase-2 mostraram número significaticativamente menor de células proliferativas no giro denteado pós-isquêmico do que animais selvagens⁹⁸. Dados descritos nesse parágrafo e no anterior são resumidos na tabela 3.

Discussão

Os achados sobre a expressão de proteínas marcadoras de proliferação celular e diferenciação em neurônios imaturos e maduros no cérebro de sujeitos com DA senil (resumidos na tabela 1) revelam claramente uma estabilidade ou diminuição da expressão de marcadores de neurônios maduros, embora a expressão de marcadores de proliferação celular e neurônios imaturos esteja aumentada em inúmeras regiões cerebrais (hipocampo [todas as sub-regiões analisadas juntas], SGZ e GCL do giro denteado, sub-região CA1 do hipocampo, córtex entorrinal, córtex temporal medial e SVZ)^42-48. Esses dados indicam que novos neurônios derivados da SGZ e da SVZ no cérebro com DA senil falham em se diferenciar em neurônios maduros nas regiões alvo dessas zonas neurogênicas no cérebro adulto, a saber a GCL do giro denteado^3,4, o neocórtex (no caso da DA, córtex temporal medial)⁸, o córtex entorrinal¹⁰ e talvez a sub-região CA1 do hipocampo¹³, embora a diferenciação em neurônios imaturos esteja aumentada. Quanto à dúvida sobre a sub-região CA1 ser alvo de alguma zona neurogênica no adulto, é interessante notar que o achado de um número aumentado de novos neurônios imaturos na sub-região CA1 do hipocampo na DA senil⁴³ é sustentado pelo achado de que há células progenitoras neurais mitoticamente ativas nas sub-regiões CA1 e CA2-3 do hipocampo de camundongos adultos¹³. Jin et al.⁴³ discutem que a sub-região CA1 do hipocampo também parece ser o destino de novos neurônios gerados no adulto, no entanto, essa suposição ainda precisa ser confirmada. Vale dizer aqui que desde estágios iniciais da DA ocorre perda neuronal no giro denteado e na sub-região CA1 do hipocampo, no córtex entorrinal^18-26 e no neocórtex (córtex parietotemporal, córtex temporal inferolateral, córtex pré-frontal)^27-32, as mesmas regiões onde têm sido observados novos neurônios gerados no adulto. Portanto, como a capacidade de reparo da neurogênese endógena na DA senil é limitada, medidas destinadas a estimular o amadurecimento de novos neurônios poderiam constituir novas estratégias terapêuticas para promover a recuperação da circuitaria neuronal no cérebro danificado de sujeitos com DA.

É importante notar que os achados sobre a expressão de proteínas marcadoras de proliferação celular e diferenciação em neurônios imaturos e maduros no cérebro de modelos de DA em camundongos (resumidos na tabela 2) demonstram claramente que a proliferação celular e a diferenciação neuronal no hipocampo são muito maiores em estágio inicial de neurodegeneração do que em estágio tardio de neurodegeneração^49,50,52-55. Além disso, ao contrário de cérebros com DA senil (estágio tardio de neurodegeneração) onde um número estável ou diminuído de neurônios maduros foi descrito no hipocampo (Tabela 1), em modelos de DA em camundongos o número de neurônios maduros no hipocampo em estágio tardio de neurodegeneração foi encontrado estável ou aumentado (Tabela 2). Considerando o achado em modelos de DA em camundongos de que a patologia do Aβ é mais deletéria em estágio tardio (acúmulo de placas de Aβ) do que em estágio inicial de neurodegeneração (início de placas de Aβ)^49,50,52-55, hipotetiza-se que talvez o tempo maior que o cérebro de sujeitos com DA senil é exposto a depósitos de placas de Aβ neurotóxicas ao longo do curso da doença tenha efeitos muito mais devastadores sobre a diferenciação neuronal do que tem o tempo mais curto que o cérebro de modelos de DA em camundongos é exposto à patologia do Aβ. Em conjunto, os dados sugerem que estimular a neurogênese e o amadurecimento neuronal em estágios iniciais da DA poderia ter maior potencial terapêutico para retardar ou impedir o progresso da neurodegeneração.

Muitos cientistas ao redor do mundo estão buscando por estratégias para estimular o processo de neurogênese (incluindo amadurecimento de novos neurônios) no cérebro de sujeitos com DA e retardar ou impedir a progressão da doença. Uma estratégia poderia ser atividade cognitiva. Os estudos têm mostrado que atividade cognitiva aumentada ao longo da vida em indivíduos com nível educacional e envolvimento ocupacional maiores reduz o risco de DA^56,57. Engajamento alto em atividades de lazer na velhice, principalmente atividades cognitivamente estimuladoras, também está associado com um risco reduzido de DA^60,61. Tem sido hipotetizado na literatura que esses indivíduos poderiam ter uma reserva cognitiva maior⁵⁸, que é algumas vezes relacionada diretamente ao tamanho do cérebro ou à densidade sináptica no córtex cerebral, e outras vezes à habilidade para compensar a patologia cerebral adquirida⁵⁹. De acordo com essa hipótese de plasticidade neuronal aumentada em sujeitos com nível educacional e envolvimento ocupacional maiores, diversos estudos em animais selvagens e modelos animais de DA adultos têm mostrado que a exposição a um ambiente enriquecido com oportunidades para ambas as atividades, cognitiva e física, aumenta a proliferação e sobrevivência de células-tronco neurais e promove o amadurecimento dos novos neurônios no hipocampo, além de melhorar o desempenho em tarefas de aprendizagem e memória (Tabela 3)^62,63,72-73. Em conjunto, os dados sustentam o uso de enriquecimento ambiental como abordagem capaz de contribuir para a prevenção de déficits cognitivos em sujeitos idosos sadios e a recuperação da circuitaria neuronal no cérebro danificado de sujeitos com DA e melhora da função cognitiva, pelo menos em estágio inicial. Faltam estudos na literatura examinando os efeitos de enriquecimento ambiental sobre o processo de neurogênese (incluindo amadurecimento neuronal) em outras regiões cerebrais afetadas pela DA além do hipocampo, tais como córtex entorrinal e neocórtex, em animais adultos, incluindo modelos animais de DA. Também faltam estudos investigando os efeitos de estimulação cognitiva separada no amadurecimento de novos neurônios gerados em animais adultos, incluindo modelos animais de DA.

Com base em achados mostrando que treinamento de memória aumenta a atividade da PLA₂ no tecido cerebral de animais experimentais^39,40 e em plaquetas de sujeitos idosos sadios⁴¹, aumenta o sinal de colina (constituído de metabólitos da fosfatidilcolina, principal substrato da PLA₂) no cérebro de idosos sadios⁸⁴ e melhora a função de memória em sujeitos idosos com comprometimento cognitivo leve^33-35 e DA inicial^36-38, hipotetiza-se que o treinamento de memória pode ter um efeito facilitador mediado pela PLA₂ em sistemas biológicos (por exemplo, neurogênese) associados com funções cognitivas tanto em sujeitos idosos sadios como no contexto da patologia da DA. De fato, inúmeros estudos em modelos experimentais in vitro sugerem a contribuição potencial de enzimas PLA₂ e seus metabólitos ácido araquidônico e lisofosfatidilcolina para a neurogênese, incluindo sobrevivência e diferenciação neuronal em ambos, processo neurodesenvolvimental e resposta a dano neuronal (Tabela 3)^86-94. Além disso, estudos em modelos experimentais in vitro sugerem que a via de metabolismo do ácido araquidônico pela 5-lipoxigenase desempenha um papel crucial na proliferação de progenitores neurais, pelo menos durante o processo neurodesenvolvimental^95,96, e estudos em modelos animais in vivo sugerem que a via de metabolismo do ácido araquidônico pela ciclo-oxigenase-2 desempenha um papel importante na proliferação de progenitores neurais em ambos, animais selvagens e modelos animais de neurodegeneração adultos, e na diferenciação em neurônios imaturos e maduros, pelo menos em animais selvagens adultos (Tabela 3)^97,98. Estudos adicionais são necessários para investigar a relação direta entre a PLA₂ (ou seus metabólitos) e o processo de neurogênese em animais adultos, incluindo modelos animais de DA.

Conclusão

Os dados indicam que a intervenção não farmacológica como enriquecimento ambiental com uma combinação de estimulações cognitiva e física poderia ser uma estratégia apropriada para promover a neurogênese endógena (incluindo amadurecimento neuronal) e melhorar a função cognitiva na DA, especialmente em estágio inicial. Os dados também sugerem a participação da PLA₂ na neurogênese (incluindo amadurecimento neuronal) promovida por estimulação cognitiva.

Recebido:15/4/2009

Aceito: 20/7/2009

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Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  21 Maio 2010
• Data do Fascículo
  2010

Histórico

• Aceito
  20 Jul 2009
• Recebido
  15 Abr 2009