Increase brain lactate in hepatic encephalopathy: Cause or consequence?

Hepatic encephalopathy (HE) is a complex neuropsychiatric syndrome which develops as a result of liver failure or disease. Increased concentrations of brain lactate (microdialysate, cerebrospinal fluid, tissue) are commonly measured in patients with HE induced by either acute or chronic liver failure. Whether an increase in brain lactate is a cause or a consequence of HE remains undetermined. A rise in cerebral lactate may occur due to (1) blood-borne lactate (hyperlactataemia) crossing the blood-brain barrier, (2) increased glycolysis due to energy failure or impairment and (3) increased lactate production/release or decreased lactate utilization/uptake. This review explores the different reasons for lactate accumulation in the brain during liver failure and describes the possible roles of lactate in the pathogenesis of HE.

L-ornithine-L-aspartate in experimental portal-systemic encephalopathy: therapeutic efficacy and mechanism of action.

Strategies aimed at the lowering of blood ammonia remain the treatment of choice in portal-systemic encephalopathy (PSE). L-ornithine-L-aspartate (OA) has recently been shown to be effective in the prevention of ammonia-precipitated coma in humans with PSE. These findings prompted the study of mechanisms of the protective effect of OA in portacaval-shunted rats in which reversible coma was precipitated by ammonium acetate administration (3.85 mmol/kg i.p.). OA infusions (300 mg/kg/h, i.v) offered complete protection in 12/12 animals compared to 0/12 saline-infused controls. This protective effect was accompanied by significant reductions of blood ammonia, concomitant increases of urea production and significant increases in blood and cerebrospinal fluid (CSF) glutamate and glutamine. Increased CSF concentrations of leucine and alanine also accompanied the protective effect of OA. These findings demonstrate the therapeutic efficacy of OA in the prevention of ammonia-precipitated coma in portacaval-shunted rats and suggest that this protective effect is both peripherally-mediated (increased urea and glutamine synthesis) and centrally-mediated (increased glutamine synthesis).

Role of manganese in the pathogenesis of portal-systemic encephalopathy.

Amongst the potential neurotoxins implicated in the pathogenesis of hepatic encephalopathy, manganese emerges as a new candidate. In patients with chronic liver diseases, manganese accumulates in blood and brain leading to pallidal signal hyperintensity on T1-weighted Magnetic Resonance (MR) Imaging. Direct measurements in globus pallidus obtained at autopsy from cirrhotic patients who died in hepatic coma reveal 2 to 7-fold increases of manganese concentration. The intensity of pallidal MR images correlates with blood manganese and with the presence of extrapyramidal symptoms occurring in a majority of cirrhotic patients. Liver transplantation results in normalization of pallidal MR signals and disappearance of extrapyramidal symptoms whereas transjugular intrahepatic portosystemic shunting induces an increase in pallidal hyperintensity with a concomitant deterioration of neurological dysfunction. These findings suggest that the toxic effects of manganese contribute to extrapyramidal symptoms in patients with chronic liver disease. The mechanisms of manganese neurotoxicity are still speculative, but there is evidence to suggest that manganese deposition in the pallidum may lead to dopaminergic dysfunction. Future studies should be aimed at evaluating the effects of manganese chelation and/or of treatment of the dopaminergic deficit on neurological symptomatology in these patients.

Decreased glutamate transporter (GLT-1) expression in frontal cortex of rats with acute liver failure.

It has been suggested that reduced astrocytic uptake of neuronally released glutamate contributes to the pathogenesis of hepatic encephalopathy in acute liver failure. In order to further address this issue, the recently cloned and sequenced astrocytic glutamate transporter GLT-1 was studied in brain preparations from rats with ischemic liver failure induced by portacaval anastomosis followed 24 h later by hepatic artery ligation and from appropriate sham-operated controls. GLT-1 expression was studied using reverse transcriptase-polymerase chain reaction (RT-PCR). Expression of GLT-1 transcript was significantly decreased in frontal cortex at coma stages of acute liver failure. Western blotting using a polyclonal antibody to GLT-1 revealed a concomitant decrease in expression of transporter protein in the brains of rats with acute liver failure. Reduced capacity of astrocytes to reuptake neuronally released glutamate, resulting from a GLT-1 transporter deficit and the consequently compromised neuron-astrocytic trafficking of glutamate could contribute to the pathogenesis of hepatic encephalopathy and brain edema, two major complications of acute liver failure.

Impact d’un épisode asphyxique périnatal associé à des convulsions sur le développement des interneurones corticaux : rôle de l’adenosine monophosphate-activated protein kinase (AMPK)

L’encéphalopathie hypoxique-­‐ischémique cause des milliers de victimes à travers le monde chaque année. Les enfants survivants à un épisode hypoxique-­‐ischémique sont à risque de développer des problèmes neurologiques incapacitants comme une paralysie cérébrale, un retard mental, une épilepsie ou des troubles d’ordre comportemental. Les modèles animaux ont amélioré nos connaissances sur les mécanismes sous-­‐jacents aux dommages cérébraux, mais elles sont encore trop incomplètes pour être capables de prévenir les problèmes neurologiques. Ce projet vise à comprendre l’impact d’un épisode asphyxique périnatale associé à des convulsions ainsi que l’activation de l’adenosine monophosphate-­‐activated protein kinase (AMPK) sur les circuits GABAergiques inhibiteurs en développement chez la souris. Dans le but d’investiguer le sort des neurones inhibiteurs, appelés interneurones, suite à un épisode asphyxique périnatal associé à des convulsions avec des animaux transgéniques, nous avons pris avantage d’un nouveau modèle d’hypoxie permettant d’induire des convulsions chez la souris. Deux populations d’interneurones représentant ensemble environ 60% de tous les interneurones corticaux ont été étudiées, soit les cellules exprimant la parvalbumine (PV) et les cellules exprimant la somatostatine (SOM). L’étude stéréologique n’a montré aucune mort neuronale de ces deux populations d’interneurones dans l’hippocampe chez les souris hypoxique d’âge adulte. Par contre, le cortex des souris hypoxiques présentait des zones complètement ou fortement dépourvues de cellules PV alors que les cellules SOM n’étaient pas affectées. L’utilisation d’une lignée de souris transgénique exprimant une protéine verte fluorescente (GFP) dans les cellules PV nous a permis de comprendre que les trous PV sont le reflet de deux choses : 1) une diminution des cellules PV et 2) une immaturité des cellules PV restantes. Puisque les cellules PV sont spécifiquement affectées dans la première partie de notre étude, nous avons voulu étudier les mécanismes moléculaires sous-­‐jacents à cette vulnérabilité. L’AMPK est un senseur d’énergie qui orchestre le rétablissement des i niveaux d’énergie cellulaire dans le cas d’une déplétion énergétique en modulant des voies de signalisation impliquant la synthèse de protéines et l’excitabilité membranaire. Il est possible que l’activation d’AMPK suite à un épisode asphyxique périnatal associé à des convulsions soit néfaste à long-­‐terme pour le circuit GABAergique en développement et modifie l’établissement de l’innervation périsomatique d’une cellule PV sur les cellules pyramidales. Nous avons étudié cette hypothèse dans un modèle de culture organotypique en surexprimant la forme wild-­‐type (WT) de la sous-­‐unité α2 d’AMPK, ainsi qu’une forme mutée dominante négative (DN), dans des cellules PV individuelles. Nous avons montré que pendant la phase de formation synaptique (jours post-­‐natals équivalents EP 10-­‐18), la surexpression de la forme WT désorganise la stabilisation des synapses. De plus, l’abolition de l’activité d’AMPK semble augmenter le nombre de synapses périsomatiques faits par la cellule PV sur les cellules pyramidales pendant la phase de formation et semble avoir l’effet inverse pendant la phase de maturation (EP 16-­‐24). La neurotransmission GABAergique joue plusieurs rôles dans le cerveau, depuis la naissance jusqu’à l’âge adulte des interneurones, et une dysfonction des interneurones a été associée à plusieurs troubles neurologiques, comme la schizophrénie, l’autisme et l’épilepsie. La maturation des circuits GABAergiques se fait majoritairement pendant la période post-­‐natale et est hautement dépendante de l’activité neuronale et de l’expérience sensorielle. Nos résultats révèlent que le lourd fardeau en demande énergétique d’un épisode asphyxique périnatal peut causer une mort neuronale sélective des cellules PV et compromettre l’intégrité de leur maturation. Un des mécanismes sous-­‐ jacents possible à cette immaturité des cellules PV suite à l’épisode hypoxique est l’activation d’AMPK, en désorganisant leur profil d’innervation sur les cellules pyramidales. Nous pensons que ces changements dans le réseau GABAergique pourrait contribuer aux problèmes neurologiques associés à une insulte hypoxique.

Oxidative stress: a systemic factor implicated in the pathogenesis of hepatic encephalopathy.

Although ammonia is considered the main factor involved in the pathogenesis of hepatic encephalopathy (HE), it correlates well with the severity of HE in acute liver failure, but not in chronic liver disease. Oxidative stress is another factor believed to play a role in the pathogenesis of this syndrome; it represents an imbalance between the production and neutralization of reactive oxygen species, which leads to cellular dysfunction. In the setting of liver disease, oxidative stress represents a systemic phenomenon induced by several mechanisms: decreased antioxidant synthesis, increased systemic release of oxidant enzymes, generation of reactive oxygen species, and impaired neutrophil function. High ammonia concentrations induce cerebral oxidative stress, thus contributing to severe hepatic encephalopathy, as observed in acute liver failure. In chronic liver disease, significantly lower degrees of hyperammonemia (<500 μM) do not induce cerebral nor systemic oxidative stress. Data from both animal and human studies sustain that there is a synergistic effect between systemic oxidative stress, and ammonia that is implicated in the pathogenesis of hepatic encephalopathy.

Strategies for revascularizing the ischemic retina

Les rétinopathies ischémiques (RI) sont la cause majeure de cécité chez les personnes âgées de moins de 65 ans. Il existe deux types de RIs soit la rétinopathie du prématuré (ROP) ainsi que la rétinopathie diabétique (RD). Les RIs sont décrites en deux phases soit la phase de vasooblitération, marquée par une perte importante de vaisseaux sanguins, et une phase de néovascularisation secondaire à lʼischémie menant à une croissance pathologique de vaisseaux. Cette seconde phase peut générer des complications cliniques telles quʼun oedème dans lʼhumeur vitré ainsi que le détachement de la rétine chez les patients déjà atteints dʼune RI. Les traitements approuvés pour les RIs visent à réduire la formation des vaisseaux pathologiques ou lʼoedème; mais ceux-ci malheureusement ne règlent pas les problèmes sous-jacents tels que la perte vasculaire et lʼischémie. La rétine est un tissu hautement vascularisé qui contribue à lʼirrigation et à lʼhoméostasie des neurones. Lʼinteraction neurovasculaire, comprenant de neurones, vaisseaux et cellules gliales, contribue au maintien de cette homéostasie. Durant le développement, les neurones et les cellules gliales jouent un rôle important dans la vascularisation de la rétine en sécrétant des facteurs qui stimulent l'angiogenèse. Cependant, nos connaissances sur lʼinteraction neurovasculaire dans les RIs sont limitées. En identifiant les interactions importantes entre les cellules composant cette unité neurovasculaire dans la rétine, nous pourrons viser des cibles qui engendreront une revascularisation seine afin de diminuer les signes pathologiques chez les patients atteints dʼune RI. Les travaux présentés dans cette thèse visent à mieux expliquer cette interaction neurovasculaire en soulignant des concepts importants propres aux RIs. En utilisant un modèle de rétinopathie induite par lʼoxygène chez la souris, qui reproduit les caractéristiques importantes de la ROP (et en certaines instances, la RD), nous identifions quelques molécules clés jouant un rôle significatif dans les RIs soit la sémaphorine 3A (sema3A), lʼIL-1β, ainsi que le récepteur PAR2. Nos résultats démontrent que Sema3A, sécrétée par les cellules ganglionnaires rétiniennes (CGRs) durant une ischémie, empêche la revascularisation normale et que cette expression est induite par lʼIL-1β provenant des microglies activées. En bloquant Sema3A directement ou via lʼinhibition de lʼIL- 1β, nous remarquons une revascularisation seine ainsi quʼune diminution importante des vaisseaux pathologiques. Cela nous indique que Sema3A est impliquée dans la guidance vasculaire et quʼelle contribue à la pathogenèse des RIs. Lʼactivation de façon exogène de PAR2, identifié aussi comme régulateur du récepteur de lʼIL-1β (IL- 1RI) sur les CGRs, se traduit par une diminution séquentielle de lʼIL-1RI et de Sema3A ce qui mène également à une revascularisation seine. En conclusion, ces travaux soulignent lʼimportance de lʼinteraction neurovasculaire ainsi que la guidance vasculaire dans les RIs. Ils renforcent lʼimportance de la communication entre neurone, vaisseau et microglie dans la pathogenèse des RIs. Finalement, nous identifions quelques molécules clés qui pourront servir comme cibles afin de lutter contre lʼischémie qui cause des problèmes vasculaires chez les patients atteints dʼune RI.

Le rôle de sirtuine 3 dans la rétinopathie du prématuré

Dans les pays industrialisés, les rétinopathies ischémiques proliférantes telles que la rétinopathie diabétique et la rétinopathie du prématuré sont les principales causes de cécité chez les individus en âge de travailler et la population pédiatrique. Ces pathologies sont caractérisées par une dégénérescence microvasculaire initiale suivie d’une hyper-vascularisaton compensatoire disproportionnée et pathologique. Les sirtuines constituent une importante famille de protéines impliquées dans le métabolisme et la réponse au stress. Plus particulièrement, sirtuine 3 (SIRT3) est une déacétylase mitochondriale primordiale qui agit au cœur du métabolisme énergétique et de l’activation de nombreuses voies métaboliques oxydatives. Nos résultats démontrent pour la première fois qu’une déficience en SIRT3 diminue la sévérité des lésions vasculaires dans le modèle murin de rétinopathie induite par l’oxygène (OIR). En plus de stimuler l’angiogénèse, l’absence de SIRT3 est aussi associée à une augmentation de la glycolyse, possiblement en activant la famille de gènes 6-phosphofructo-2-kinase/fructose-2,6-bisphosphatase (PFKFB). Nous suggérons que le manque de SIRT3 est impliqué dans l’effet Warburg et procure ainsi un avantage prolifératif et protecteur dans l’OIR. La présente étude propose SIRT3 comme nouvelle cible thérapeutique potentielle dans la rétinopathie du prématuré, une maladie dont les complications désastreuses persistent tout au long de la vie.

Decreased GABAA Receptors Functional Regulation 3 in the Cerebral Cortex and Brainstem of Hypoxic Neonatal Rats: 4 Effect of Glucose and Oxygen Supplementation

Hypoxia in neonates can lead to biochemical and molecular alterations mediated through changes in neurotransmitters resulting in permanent damage to brain. In this study, we evaluated the changes in the receptor status of GABAA in the cerebral cortex and brainstem of hypoxic neonatal rats and hypoxic rats supplemented with glucose and oxygen using binding assays and gene expression of GABAAa1 and GABAAc5. In the cerebral cortex and brainstem of hypoxic neonatal rats, a significant decrease in GABAA receptors was observed, which accounts for the respiratory inhibition. Hypoxic rats sup- plemented with glucose alone and with glucose and oxygen showed, respectively, a reversal of the GABAA receptors, andGABAAa1 and GABAAc5 gene expression to control. Glucose acts as an immediate energy source thereby reducing the ATP-depletion-induced increase in GABA and oxygenation, which helps in encountering anoxia. Resuscitation with oxygen alone was less effective in reversing the receptor alterations. Thus, the results of this study suggest that reduction in the GABAA receptors functional regulation during hypoxia plays an important role in mediating the brain damage. Glucose alone and glucose and oxygen supplementation to hypoxic neonatal rats helps in protecting the brain from severe hypoxic damage.

Dopamine D1 and D2 Receptor Gene Expression and cGMP, IP3 and Ca2+ Regulation in the Brain Regions of Hypoxic Neonatal Rats: Role of Glucose, Oxygen and Epinephrine Supplementation

Department of Biotechnology, Cochin University of Science and Technology

HYPOXIC ADAPTATIONS AND CAROTENOIDS OF TWO INTERTIDAL MOLLUSCS

The present investigation is to find the hypoxic adaptations and role of carotenoids in the anaerobic catabolism of two intertidal bivalves-Sunetta scripta and Perna viridis. Physiological and cytological responses during hypoxic stress have been studied and compared to that of sublethal heavy metal (copper) exposure using two indices : total carotenoid concentration and accumulation of lipofuscin granules. A close similarity has been observed between hypoxic exposed and copper (sublethal) exposed animals regarding the total carotenoid concentration and lipofuscin accumulation. In the case of S.scripta, the total caroteniod increase at 48h of both hypoxic and heavy metal exposure was found to be nearly 40% greater than that of the control (0h). Whereas in P.viridis, the increment in the total carotenoid concentration at 48h of hypoxic exposure and 48h of heavy metal exposure were found to be nearly 87% and 95% higher than that of the control (0h) respectively.Regarding the lipofuscin accumulation, in both S.scripta and P.viridis , the characteristic features of the granule at 48h of hypoxia is very much similar to that observed at 48h of heavy metal exposure. Thus, the present study suggests that the increase in carotenoid concentration and lipofuscin accumulation expressed by bivalves under heavy metal stress can be due to the indirect effect of hypoxia.

GABA, serotonin, muscarinic receptors - their second messengers and transcription factors functional regulation in the brain regions of hypoxic neonatal rats: Resuscitation with glucose, oxygen and epinephrine

The present study was designed to investigate the protective effect of glucose, oxygen and epinephrine resuscitation on impairment in the functional role of GABAergic, serotonergic, muscarinic receptors, PLC, BAX, SOD, CAT and GPx expression in the brain regions of hypoxia induced neonatal rats. Also, the role of hormones - Triiodothyronine (T3) and insulin, second messengers – cAMP, cGMP and IP3 and transcription factors – HIF and CREB in the regulation of neonatal hypoxia and its resuscitation methods were studied. Behavioural studies were conducted to evaluate the motor function and cognitive deficit in one month old control and experimental rats. The efficient and timely supplementation of glucose plays a crucial role in correcting the molecular changes due to hypoxia, oxygen and epinephrine. The sequence of glucose, epinephrine and oxygen administration at the molecular level is an important aspect of the study. The additive neuronal damage effect due to oxygen and epinephrine treatment is another important observation. The corrective measures by initial supply of glucose to hypoxic neonatal rats showed from the molecular study when brought to practice will lead to healthy intellectual capacity during the later developmental stages, which has immense clinical significance in neonatal care.

Brain Tumour, Mood Disorder and Encephalopathy. Discusion of the Clinical Case Presented in Volume 6, Number 2

We report a case of a 65 years old female patient, who was admitted to the hospital with non specific neurological symptoms and who had preliminary imagenological findings of an extra-axial tumor mass (a meningioma of the sphenoid’s wing), which was taken to complete surgical removal. Afterwards, she developed progressive neurologic deterioration until her death. The final diagnosis was acute spongiform encephalophaty, and was obtained by cerebral biopsy. Spongiform encephalopathy was described, almost a century ago, as the Creutzfeldt-Jakob Disease, poorly diagnosed in our environment because of its low frequency and uncommon onset, which starts with a mood disorder followed by a phase of dementia and a final fatal outcome. The gold standard for the diagnosis is based on a biopsy or an autopsy of the brain, with immunohistochemical stains for the prionic abnormal protein.

Brain Tumour, Mood Disorder and Encephalopathy. Discusion of the Clinical Case Presented in Volume 6, Number 2

We report a case of a 65 years old female patient, who was admitted to the hospital with non specific neurological symptoms and who had preliminary imagenological findings of an extra-axial tumor mass (a meningioma of the sphenoid’s wing), which was taken to complete surgical removal. Afterwards, she developed progressive neurologic deterioration until her death. The final diagnosis was acute spongiform encephalophaty, and was obtained by cerebral biopsy. Spongiform encephalopathy was described, almost a century ago, as the Creutzfeldt-Jakob Disease, poorly diagnosed in our environment because of its low frequency and uncommon onset, which starts with a mood disorder followed by a phase of dementia and a final fatal outcome. The gold standard for the diagnosis is based on a biopsy or an autopsy of the brain, with immunohistochemical stains for the prionic abnormal protein.

Brain Tumor, Mood Disorder and Encephalopathy

Brain Tumor, Mood Disorder and EncephalopathyWe report a case of a patient was 65 years old, who was admitted with neurologic symptoms ill-defined by imaging findings that initial meningioma wing of the sphenoid, tumor resection, is performed. She presented torpid evolution, progressive neurological deterioration, until her death.