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Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro de Ciências Biológicas. Programa de Pós-Graduação em Neurociências A guanosina (GUO) é um modulador endógeno da excitotoxicidade glutamatérgica e promove neuroproteção em modelos de neurotocixidade in vivo e in vitro. A guanosina promove neuroproteção frente à privação de glicose e oxigênio (PGO) através da modulação da atividade do canal de potássio do tipo BK (canal de K+ de larga condutância ativado por Ca2+), ativação da via da PI3K e aumento da captação de glutamato. Neste trabalho demonstramos que a GUO (1 mM) protege culturas de células de neuroblastoma humano (SH-SY5Y) da morte neuronal decorrente da superprodução de espécies reativas de oxigênio induzidas pela co-administração de rotenona e oligomicina A, através da ativação da via de sinalização celular proteína cinase dependente de fosfatidilinositol (PI3K)/proteína cinase B (Akt), inibição da enzima glicogênio sintase cinase (GSK-3?)PI3K/GSK-3? e indução da enzima antioxidante heme oxygenase-1. Estes efeitos foram mediados pelo BK, e pelos receptores de adenosina do subtipo A1R e A2AR. Em fatias de hipocampo submetidas a um modelo de isquemia in vitro (PGO), o tratamento com GUO (100 ?M) previne o aumento da produção de espécies reativas de oxigênio (EROs), a despolarização da membrana mitocondrial, inibiu a ativação do fator de transcrição NF- B e reduziu os níveis da iNOS induzidos pela PGO. A presença do inibidor da proteína cinase ativada por mitógenos (MAPK) /proteína cinase regulada por sinal extracelular (ERK) e do antagonista de A1R reverteram os efeitos neuroprotetores promovidos pelo tratamento com GUO. A GUO estimula a captação de glutamato através da ativação da via MAPK/ERK, mas não envolve ativação de A1R. A GUO também reduz a liberação de glutamato e protege as fatias de hipocampo através da modulação do transporte reverso de glutamato. Adicionalmente, a PGO induz uma diminuição na atividade da glutamina sintetase e o tratamento com GUO reverte parcialmente este efeito. No entanto, a GUO não apresenta efeito sobre a redução da atividade dos complexos da cadeia respiratória e não previne a inibição da fosforilação oxidativa induzida pela PGO nas fatias de hipocampo de ratos. Avaliando-se o papel da GUO sobre as células astrocitárias corticais observamos que a GUO (10 µM) protege contra a PGO através da estimulação da atividade dos transportadores de glutamato e diminuição da produção de EROs. Os efeitos da GUO sobre a modulação dos transportadores astrocitários de glutamato envolvem a ativação da via MAPK/ERK. Desta forma, a GUO um nucleosídeo endógeno e não tóxico pode conter a neuroinflamação e excitotoxicidade induzida pelo dano oxidativo mitocondrial e pela isquemia apresentando um importante papel neuroprotetor. Guanosine (GUO) is an endogenous modulator of glutamatergic excitotoxicity and promotes neuroprotection in in vitro and in vivo models of neurotoxicity. Guanosine promotes neuroprotection against oxygen and glucose deprivation (OGD) by increasing glutamate uptake trough modulation of BK potassium channels (Ca2 +-activated large conductance K+ channels) and phosphatidylinositol-3 kinase (PI3K) pathway. In the present study, GUO (1 mM) protected human neuroblastoma cell cultures (SH-SY5Y) from neuronal death due overproduction of reactive oxygen species (ROS) induced by coadministration of rotenone and oligomycin-A, by activating the PI3K/protein kinase B (Akt) cell signaling pathway, glycogen synthase kinase-3 beta (GSK3B]) and induction of the antioxidant enzyme heme oxygenase-1. These effects on SH-SY5Y were mediate via BK channels and the adenosine receptors A1R and A2AR. In hippocampal slices subjected to an ischemic in vitro model (OGD), GUO (100 uM) treatment prevented the excessive ROS production, mitochondrial membrane depolarization, inhibited the activation of the nuclear transcription factor NF-k B and reduced inducible Nitric oxide synthase (iNOS) levels induced by OGD. The mitogen-activated protein kinase (MAPK)/extracellular-signal regulated kinase (ERK) kinase (MEK) inhibitor, PD98059 and the A1R antagonist, DPCPX, abolished GUO induced neuroprotective effects. GUO stimulated glutamate uptake through activation of MAPK/ERK pathway, but did not involve activation of A1R. GUO also counteracted the glutamate release induced by OGD in hippocampal slices through modulation of the reverse activity of glutamate transporters. Additionally, OGD induced a decrease in glutamine synthetase activity and GUO treatment partially reversed this effect. However, GUO has not able to prevent the reduction of respiratory chain complexes activity and inhibition of oxidative phosphorylation induced OGD in rat hippocampal slices. The evaluation of GUO role on cortical astrocytic cells showed that GUO (10 uM) protects against OGD by stimulating the activity of glutamate transporters and decreasing ROS production. GUO effects on modulation of astrocytic glutamate transporters involved MAPK/ERK activation. In conclusion, GUO afford neuroprotection against ischemic and oxidative damage through the modulation of glutamatergic and purinergic systems, activation of BK potassium channels and involving the activation of PI3K and MAPK/ERK signaling pathways. Therefore, GUO is an endogenous and non-toxic nucleoside that may counteract neuroinflammation and excitotoxicity, presenting a potential neuroprotective role.

Glutamate is the main excitatory neurotransmitter in the mammalian nervous system and is essential for its normal functions. However, overstimulation of glutamatergic system due to hyperactivation of NMDA receptors and/or impairment of glutamate reuptake system has been implicated in many acute and chronic neurological diseases. Regulation of extracellular glutamate concentrations relies on the function of glutamate transporters which can be reversed in situations related to excitotoxicity. Guanosine-5'-monophosphate (GMP), a guanine nucleotide which displays important extracellular roles, such as trophic effects to neurons and astrocytes, behaves as antagonist of glutamate receptors and is neuroprotective in hippocampal slices against excitotoxicity or ischemic conditions. Hippocampal slices exposed to 1 or 10 mM glutamate, or 100 microM NMDA with 10 microM glycine for 1 h and evaluated after 6 or 18 h, showed reduced cell viability and DNA fragmentation, respectively. Glutamate- or NMDA-induced cell death was prevented by 50 microM MK-801, but only NMDA-induced cell damage was prevented by GMP (1 mM). Glutamate-induced cell viability impairment and glutamate-induced l-[(3)H]glutamate release were both prevented by adding DL-TBOA (10 microM). Otherwise, NMDA-induced cell viability loss was not prevented by 10 microM of DL-TBOA and NMDA did not induce l-[(3)H]glutamate release. Our results demonstrate that GMP is neuroprotective when acting selectively at NMDA receptors. Glutamate-induced hippocampal slice damage and glutamate release were blocked by glutamate transporter inhibitor, indicating that glutamate-induced toxicity also involves the reversal of glutamate uptake, which cannot be prevented by GMP.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina. Centro de Ciências Biológicas. Programa de Pós-Graduação em Neurociências. Os derivados da guanina têm sido implicados em vários efeitos extracelulares, como a modulação do sistema glutamatérgico e neuroproteção frente a diferentes danos excitotóxicos. Eles são liberados para o meio extracelular em situação fisiológica ou hipóxica e participam da comunicação intercelular. O objetivo deste trabalho foi avaliar participação dos canais de potássio e da via da PI3-K no mecanismo de neuroproteção promovido pela guanosina (GUO) em fatias de hipocampo de ratos submetidas à privação de glicose e oxigênio (PGO). A adição de GUO (100µM) no período de 2 horas de reperfusão após os 15 min de PGO previne a diminuição de viabilidade celular induzida pela PGO. A utilização dos bloqueadores de canais de K+ glibenclamida (20µM) e apamina (300nM) demonstrou que o mecanismo de neuroproteção da GUO não depende dos canais de K+ sensíveis ao ATP e canais de K+ de baixa condutância ativados por Ca2+, respectivamente. A utilização de caribdotoxina (100 nM), bloqueador de canal de K+ de alta condutância ativado por Ca2+ (BK) reverteu o efeito neuroprotetor da GUO. As fatias de hipocampo submetidas à PGO e reperfusão apresentam uma significativa diminuição na captação de glutamato. A adição de GUO no período de reperfusão reverte a diminuição da captação de glutamato. O aumento da captação de glutamato promovido pela GUO é revertido quando as fatias são pré-incubadas com caribdotoxina (100 nM), bloqueador de canal BK e com o inibidor da via da PI3-K (wortmanina). GUO também promoveu aumento da fosforilação da proteína AKT, o que é revertido na presença de caribdotoxina. Concluindo, GUO promove neuroproteção através do aumento da captação de glutamato, o qual é modulado por canais de K+ de alta condutância ativados por Ca+2 e ativação da via da PI3-K, aumentando a expressão da proteína fosto-AKT e resultando em proteção celular.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro de Ciências Biológicas, Programa de Pós-Graduação em Bioquímica, Florianópolis, 2015 As doenças vasculares cerebrais isquêmicas representam uma importante causa de mortalidade no Brasil e no mundo, sendo ainda responsáveis por consideráveis índices de morbidade. A diminuição do fluxo sanguíneo para o encéfalo ocasiona a ativação de diferentes vias bioquímicas e celulares que resultam em danos celulares através da toxicidade causada, principalmente, pelo acúmulo de glutamato na fenda sináptica. Uma das organelas celulares que é afetada pela isquemia cerebral é a mitocôndria, devido ao aumento dos níveis de espécies reativas de oxigênio e de nitrogênio, ocasionando estresse oxidativo, despolarização da membrana mitocondrial e interrupção da síntese de ATP. Estes eventos resultam em diminuição do fornecimento energético para a célula e liberação de fatores pró-apoptóticos, podendo levar à morte celular. Nos últimos anos, nosso grupo de pesquisa tem estudado os efeitos da guanosina, um nucleosídeo endógeno, como agente neuroprotetor durante eventos de isquemia/reoxigenação cerebral. Desta forma, o objetivo deste estudo foi investigar o efeito neuroprotetor da guanosina sobre o dano oxidativo e bioenergético em fatias de hipocampo de ratos submetidas à privação de glicose e oxigênio seguida por reoxigenação, um modelo de isquemia cerebral in vitro. Também avaliamos se os mecanismos de proteção promovidos pela guanosina dependem da atividade das enzimas óxido nítrico sintase. Nossos resultados demonstraram que a guanosina proporcionou neuroproteção para fatias de hipocampo de ratos submetidas à isquemia in vitro, impedindo o aumento da produção de espécies reativas de oxigênio e de nitrogênio, dentre estas de óxido nítrico e peroxinitrito; preveniu a perda do potencial de membrana mitocondrial e reverteu a queda dos níveis de ATP e de lactato ocasionado pela isquemia. Também observamos que o uso de inibidores das enzimas óxido nítrico sintase, principalmente da isoforma neuronal desta enzima, fornecem proteção celular para o tecido isquêmico, similar ao observado com a guanosina. No entanto, o efeito neuroprotetor da guanosina não depende diretamente da atividade das enzimas óxido nítrico sintase. De maneira geral, os resultados obtidos neste trabalho contribuem para o entendimento da neuroproteção promovida pela guanosina e o efeito das enzimas óxido nítrico sintase na isquemia cerebral experimental. Abstract: Ischemic cerebrovascular diseases are among the major causes of mortality in Brazil and in the world, and they are also responsible for considerable rise in morbidity. The decreased blood flow to the brain causes the activation of different biochemical pathways in the cell, resulting in damage through the toxicity caused mainly by an accumulation of glutamate in the synaptic cleft. Mitochondria is one of the cell organelles that is most affected by cerebral ischemia due to increased levels of reactive oxygen and nitrogen species, causing oxidative stress, loss of the mitochondrial membrane potential and disruption of ATP synthesis. These events may lead to cell death, since energy supply will be decreased and pro-apoptotic factors will be released. In recent years, our research group has studied the effects of guanosine, an endogenous nucleoside, as a neuroprotective agent during cerebral ischemia/reoxygenation events. Thus, the aim of this study was to investigate the neuroprotective effect of guanosine on oxidative damage and bioenergetics in hippocampal slices of rats subjected to oxygen and glucose deprivation (OGD) followed by reoxygenation, a model of cerebral ischemia in vitro. We also assess whether the protection promoted by guanosine depends on the activity of the enzymes nitric oxide synthase. Our results demonstrated that guanosine provided neuroprotection to hippocampal slices of rats subjected to OGD, preventing the increased production of reactive oxygen and nitrogen species. Guanosine also prevented the loss of mitochondrial membrane potential and reversed the fall in ATP and lactate levels caused by ischemia. The use of inhibitors of nitric oxide synthase enzymes, especially the neuronal isoform of this enzyme, provides cellular protection for ischemic tissue, which was similar to that seen with guanosine. However, the neuroprotective effect of guanosine does not depend on the activity of nitric oxide synthase. The results obtained in this study contribute to the understanding of the effects of guanosine and the nitric oxide synthase enzymes in experimental cerebral ischemia.