Neuroendocrinologia do comportamento social no ciclídeo africano Oreochromis mossambicus: mecanismos reguladores e modulação social da reprodução

A reprodução em teleósteos é controlada pelo eixo hipotálamo-pituitária-gónada (HPG) que modula a gametogénese, o desenvolvimento dos caracteres secundários e a expressão do comportamento reprodutor. A informação sobre fatores endógenos e exógenos é integrada no cérebro e a atividade do eixo HPG é regulada, fazendo com que traços comportamentais sejam expressos no momento e no contexto certos. Fatores exógenos relacionados com condições físicas do ambiente (e.g. temperatura e fotoperíodo) têm o papel principal no controlo da reprodução. No entanto, o estatuto social e o contexto social têm sido menos estudados. Mecanismos hormonais e neuroendócrinos são muito conservados ao longo dos vertebrados, fazendo dos peixes um bom modelo para o estudo da endocrinologia do comportamento. Os objetivos gerais deste trabalho consistem em determinar de que forma o contexto social interfere na expressão do comportamento e o papel de mecanismos hormonais e neuroendócrinos nesse processo, sendo abordados dois mecanismos, os androgénios e os neuropéptidos arginina vasotocina (AVT) e Isotocina (IT), dando-se especial relevância à AVT. A tilápia moçambicana (Oreochromis mossambicus) foi o modelo usado. A a sua biologia é bem conhecida, é muito adaptável a condições artificiais, e que tem uma importância económica crescente. Esta espécie possui um sistema social elaborado, com machos a organizarem-se em arenas reprodutoras, onde escavam depressões no substrato, para as quais atraem as fêmeas para a reprodução. Todos os trabalhos apresentados nesta dissertação tiveram como como sujeito focal o macho. Esta tese está organizada quatro capítulos. No capítulo I- Introdução geral, é apresentada uma revisão da literatura relevante para enquadrar o presente trabalho. Os capítulos II e III englobam os 4 artigos científicos que foram redigidos, denominados de artigo 1 a 4, consoante a ordem em que são apresentados na tese. O capítulo II, intitulado “Modulação social da reprodução”, é apresentado um estudo (artigo 1) que aborda o efeito do ambiente social no comportamento e no estado fisiológico da tilápia moçambicana. Com este trabalho pretendia-se perceber qual o efeito do contexto de instabilidade social nos níveis plasmáticos hormonais e a influência destes contextos na criação de padrões de comportamento. Gerou-se com sucesso um cenário de instabilidade social, através da substituição de machos dominantes entre replicados, por oposição ao contexto social estável em que os animais foram retirados e reintroduzidos no mesmo aquário. Em contexto social instável verificou-se tal como esperado, um aumento do comportamento agonístico. Apesar da agressividade não ter sido acompanhada pelo aumento dos níveis hormonais, os resultados sugerem que os androgénios funcionam como fator de reforço da integração na criação de padrões comportamento em contexto social instável, mostrando assim uma otimização do comportamento em períodos de instabilidade social. No capítulo III, intitulado “Mecanismos reguladores do comportamento social”, são apresentados três artigos e foi dividido em duas secções. Na primeira é abordado o papel dos androgénios (artigo 2) e na segunda o papel da AVT e IT (artigo 3 e 4) na regulação do comportamento social. Em relação ao estudo do papel dos androgénios (artigo 2), pretendeu-se estudar o efeito da falta de androgénios em circulação na exibição do comportamento agonístico e reprodutor. Para tal, procedeu-se à castração de machos de tilápia. A remoção integral das gónadas baixou os níveis de androgénios em cerca de 90% para a testosterona e quase 100% para 11KT e provocou uma completa abolição do comportamento reprodutor (construção do ninho, coloração nupcial e corte), no entanto o comportamento agonístico não foi afetado. Revelou-se desta forma que o mecanismo de regulação do comportamento reprodutor e agonístico é diferente, com os androgénios como agentes mediadores do comportamento reprodutor e moduladores do comportamento agonístico, uma vez que a literatura existente relaciona os androgénios com o comportamento agonístico nesta espécie. O estudo da regulação da AVT e IT em função do estatuto social foi efetuado com duas abordagens diferentes, resultando em dois artigos científicos (artigo 3 e 4). A primeira tinha como objetivo perceber se a AVT e IT estava distribuída por todo o cérebro em quantidades mensuráveis ou apenas em alguma área específica, além de perceber qual a diferença dos níveis cerebrais e glândula pituitária entre machos dominantes e subordinados. Procedeu-se ao doseamento da AVT e IT no cérebro através de cromatografia de fase líquida (high performance liquid cromatography, HPLC) em machos dominantes e subordinados (com o estatuto estabilizado há pelo menos 5 semanas). O cérebro foi dividido em 7 áreas [bolbos olfativos, telencéfalo, teto ótico, diencéfalo, cerebelo, rombencéfalo e pituitária (considerada como área cerebral para efeitos comparativos)]. Verificou-se que a área que apresentou uma maior concentração de neuro péptidos (AVT e IT) foi a pituitária, seguida dos bolbos olfactivos e finalmente as restantes áreas. A existência destes neuropéptidos no bolbo olfactivo sugere que a AVT e IT estão implicadas no mecanismo de reconhecimento social. Esta relação tem particular importância para esta espécie uma vez que a Tilápia usa o mecanismo do olfacto, por exemplo para o reconhecimento do estado reprodutivo das fêmeas. Machos subordinados apresentaram concentrações de AVT superiores na pituitária, o que sugere a influência da AVT num processo fisiológico específico relacionado com a subordinação. Uma vez que machos subordinados armazenam menos urina do que machos dominantes (machos dominantes armazenam grandes quantidades de urina que libertação de forma pulsátil, de forma dependente do contexto, aumentando o número de pulsos na presença de machos rivais ou fêmeas pré-ovuladas). A AVT pode estar a exercer um efeito antidiurético nos machos subordinados diminuindo assim a produção de urina. Machos dominantes apresentaram valores superiores de IT no rombemcéfalo, sugerindo que a isotocina pode estar relacionada com o comportamento social em dominantes. Para avaliar o efeito do estatuto na organização dos grupos neuronais produtores de AVT (situados na área pré-ótica) foram criadas condições semelhantes à situação anterior, neste caso foram contabilizados os neurónios imunorreativos à AVT na área pré-ótica e medida a área dos corpos celulares em machos dominantes, subordinados e fêmeas. Os grupos neuronais da área pré-ótica são constituídos por células parvocelulares (pPOA), magnocelulares (mPOA) e gigantocelulares (gPOA). A literatura relaciona uma maior expressão de células pPOA em machos subordinados e gPOA em dominantes, no entanto os resultados do artigo 4 mostraram que machos subordinados aumentaram a área dos corpos celulares de todos os grupos neurais, e todos os grupos apresentam projeções para pituitária (apesar de projetarem para outra áreas) sugerindo que este aumento generalizado do tamanho das células implica um aumento da produção de AVT direcionada para a pituitária. As células (principalmente a área dos corpos celulares) correlacionaram-se negativamente com o comportamento agressivo e positivamente com o comportamento de fuga, sugerindo uma inibição geral do comportamento reprodutor e agonístico em machos subordinados. O tamanho das células mPOA está inversamente associado ao peso do rim o que sugere um efeito deste grupo neural no rim provavelmente implicado no mecanismo antidiurético em machos subordinados.

Neuroendocrinology of cooperation: the role of neuropeptides on the modulation of mutualistic behaviour of the Indo-Pacific Cleaner Wrasse (Labroides dimidiatus)

Tese de doutoramento, Ciências do Mar, da Terra e do Ambiente, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade do Algarve, 2015

Modelos Teóricos de Difusão Dérmica: abordagens matemáticas e computacionais para terapias transdérmicas da Obesidade

É de senso comum que os nutrientes são fundamentais à vida e que a subnutrição leva à acumulação de gorduras que pode chegar a casos de obesidade, tendo como consequência inúmeras complicações de saúde. Diferentes estruturas neuroanatómicas do cérebro têm um papel essencial no comportamento digestivo. A ação de várias moléculas de sinalização (hormonas, neurotransmissores e neuropéptidos) resulta na regulação da ingestão de alimentos, sendo que, por exemplo, algumas hormonas podem aumentar a sensação de saciedade podendo diminuir o apetite e a ingestão calórica. A descoberta de hormonas envolvidas no balanço energético proporcionou novas oportunidades para desenvolver meios para o tratamento da obesidade. A transferência de medicação antiobesidade por via tópica ou transdérmica é um desafio pois a pele funciona como uma barreira natural e protetora. Sendo uma barreira com uma grande área de superfície e de fácil acessibilidade, a pele tem potencial interesse na libertação de fármacos específicos a cada terapia. Vários métodos têm sido estudados de modo a permitir um aumento da permeabilidade de moléculas terapêuticas para o interior da pele e através da pele. As biotecnologias transdérmicas são um campo de interesse cada vez maior, devido as aplicações dérmicas e farmacêuticas que lhes estão subjacentes. Existem vários modelos computacionais e matemáticos em uso que permite uma visão mais abrangente de puros dados experimentais e até mesmo permite a extrapolação prática de novas metodologias de difusão dérmica. Contudo, eles compreendem uma complexa variedade de teorias e suposições que atribuem a sua utilização para situações específicas. Este trabalho, primeiramente analisa, de forma extensiva, as várias metodologias teóricas para o estudo da difusão dérmica e sistematiza as suas características, realizando depois a fase prévia duma nova abordagem computacional para o estudo da difusão dérmica, que determina características microscópicas de moléculas capazes de provocar a perda de peso, tais como a Leptina e/ou os seus agonistas.

Efecto de un nuevo xanthanólido sesquiterpeno sobre la activación de mastocitos inducida por neurópeptidos pro-inflamatorios

Los mastocitos son células del tejido conectivo que participan en la génesis y modulación de las respuestas inflamatorias celulares. En trabajos previos hemos demostrado que xanthatina (xanthanólido sesquiterpeno aislado de Xanthium cavanillesii Schouw) inhibe la activación de mastocitos inducida por secretagogos experimentales. Sin embargo, se desconoce su efecto sobre la activación de mastocitos inducida por estímulos fisiopatológicos. Estos estímulos incluyen, entre otros, los neuropéptidos pro-inflamatorios sustancia P y neurotensina, responsables de una de las principales vías de inflamación neurogénica. El objetivo del presente trabajo fue estudiar el efecto de xanthatina sobre la activación de mastocitos inducida por sustancia P y neurotensina. Mastocitos peritoneales de rata se incubaron con: 1) PBS (basal); 2) sustancia P (100 Fm); 3) neurotensina (50 Fm); 4) xanthatina (8-320 Fm)+sustancia P; 5) xanthatina (8-320 Fm)+neurotensina. La viabilidad de los mastocitos se evaluó con azul tripán. En las soluciones de incubación se cuantificó serotonina liberada (marcador de activación). En las células se cuantificó serotonina remanente (no liberada) y se analizó la morfología celular por microscopía óptica y electrónica de transmisión. Tratamiento estadístico: ANOVA-1 y Tukey-Kramer. La incubación de mastocitos con xanthatina inhibió (P<0,01), en forma dosisdependiente, la liberación de serotonina inducida por sustancia P y neurotensina, sin modificar la viabilidad celular. Los mastocitos tratados con neuropéptidos mostraron características morfológicas de degranulación, mientras que la morfología de los mastocitos tratados con xanthatina+neuropéptido fue semejante a los basales. En conclusión, xanthatina inhibe la activación de mastocitos inducida por sustancia P y por neurotensina. Este sesquiterpeno podría representar una nueva alternativa en el tratamiento de las inflamaciones neurogénicas.

Regulação do comportamento alimentar e novos alvos terapêuticos

Dissertação para obtenção do grau de Mestre no Instituto Superior de Ciências da Saúde Egas Moniz

Galanin and galanin fragment 1-15 modulate antidepressant responses by targeting 5-HT1AR-GALR heteroreceptor complexes of the ascending midbrain serotonin pathways.

Mood disorders, including depression and anxiety, are among the most prevalent mental illnesses with high socioeconomic impact. Although the underlying mechanisms have not yet been clearly defined in the last decade the importance of the role of neuropeptides, including Galanin (GAL), and/or their receptors in the treatment of stress-related mood disorders is becoming increasingly apparent. GAL is involved in mood regulation, including depression-related and anxiety-like behaviors. Activation of GALR1 and GALR3 receptors results in a depression like behavior while stimulation of GALR2 receptor leads to anti-depressant-like effects. Moreover, GAL modulates 5-HT1A receptors (5-HT1AR), a key receptor in depression at autoreceptor and postsynaptic level in the brain. This interaction can in part be due to the existence of GALR1-5-HT1AR heteroreceptor complexes in discrete brain regions [1]. Not only GAL but also the N-terminal fragments like GAL(1-15) are active in the Central Nervous System [2, 3]. Recently, we described that GAL(1-15) induces strong depression-related and anxiogenic-like effects in rats, and these effects were significantly stronger than the ones induced by GAL [4]. The GALR1-GALR2 heteroreceptor complexes in the dorsal hippocampus and especially in the dorsal raphe (DR), areas rich in GAL(1-15) binding sites [5] were involved in these effects [4, 6] and demonstrated also in cellular models. In the present study, we have analyzed the ability of GAL(1-15) to modulate 5-HT1AR located at postjunctional sites and at the soma-dendritic level in rats. We have analyzed the effect of GAL(1-15) on the 5-HT1AR-mediated response in a behavioral test of depression and the involvement of the GALR2 in these effects. GAL(1-15) enhanced the antidepressant effects induced by the 5-HT1AR agonist 8-OH-DPAT in the forced swimming test [7]. These effects were stronger than the ones induced by GAL. The mechanism of this action involved interactions at the receptor level in the plasma membrane with changes also at the transcriptional level. Thus, GAL(1-15) affected the binding characteristics as well as the mRNA level of 5-HT1AR in the dorsal hippocampus and DR. GALR2 was involved in these effects, since the specific GALR2 antagonist M871 blocked GAL(1-15) mediated actions at the behavioral and receptor level [7]. Furthermore, the results on the proximity ligation assay (PLA) in this work suggest the existence of GALR1-GALR2-5-HT1AR heteroreceptor complexes since positive PLA were obtained for both GALR1-5-HT1AR and GALR2-5-HT1AR complexes in the DR and hippocampus. Moreover the studies on RN33B cells, where GALR1, GALR2 and 5-HT1AR exist [4], also showed PLA-positive clusters indicating the existence of GALR1-5-HT1AR and GALR2-5-HT1AR complexes in these cells [7]. In conclusion, our results indicate that GAL(1–15) enhances the antidepressant effects induced by the 5-HT1AR agonist 8-OH-DPAT probably acting on GALR1-GALR2-5-HT1AR heteroreceptor located at postjunctional sites and at the soma-dendritic level. The development of new drugs specifically targeting these heteroreceptor complexes may offer a novel strategy for treatment of depression. This work has been supported by Junta de Andalucia CVI646 1. Borroto-Escuela, D.O., et al., Galanin receptor-1 modulates 5-hydroxtryptamine-1A signaling via heterodimerization. Biochem Biophys Res Commun, 2010. 393(4): p. 767-72. 2. Hedlund, P.B. and K. Fuxe, Galanin and 5-HT1A receptor interactions as an integrative mechanism in 5-HT neurotransmission in the brain. Ann N Y Acad Sci, 1996. 780: p. 193-212. 3. Diaz-Cabiale, Z., et al., Neurochemical modulation of central cardiovascular control: the integrative role of galanin. EXS, 2010. 102: p. 113-31. 4. Millon, C., et al., A role for galanin N-terminal fragment (1-15) in anxiety- and depression-related behaviors in rats. Int J Neuropsychopharmacol, 2015. 18(3). 5. Hedlund, P.B., N. Yanaihara, and K. Fuxe, Evidence for specific N-terminal galanin fragment binding sites in the rat brain. Eur J Pharmacol, 1992. 224(2-3): p. 203-5. 6. Borroto-Escuela, D.O., et al., Preferential activation by galanin 1-15 fragment of the GalR1 protomer of a GalR1-GalR2 heteroreceptor complex. Biochem Biophys Res Commun, 2014. 452(3): p. 347-53. 7. Millon, C., et al., Galanin (1-15) enhances the antidepressant effects of the 5-HT1A receptor agonist 8-OH-DPAT: involvement of the raphe-hippocampal 5-HT neuron system. Brain Struct Funct, 2016.

Galanin n-terminal gragment (1-15) modifies the 5-HT1A receptor against [H3]-8-OH-DPAT binding in the dorsal raphe and hippocampus of the rat

We have described that Galanin N-terminal fragment (1-15) [GAL(1-15)] is associated with depressive effects and also modulates the antidepressant effects induced by the 5-HT1A receptor (5-HT1AR) agonist 8-OH-DPAT. The aim of this study is to analyze the ability of GAL(1-15) to modulate 5-HT1AR at the autoreceptor and postsynaptic receptor level in rats by using quantitative autoradiography. We analyzed the effect of intracerebroventricular GAL(1-15)-3nmol (n=6) or aCSF (n=6), 10 minutes, 2 and 5 hours after the injection, on the binding characteristics of the 5-HT1AR agonist [H3]-8-OH-DPAT in sections of the Dorsal Raphe (DR) and Dorsal Hippocampus, specifically CA1 and Dentate Gyrus (DG). Student’s t-test was used to compare the experimental groups. GAL(1-15) produced a time-dependent effect on the binding of [H3]-8-OH-DPAT. In CA1 and DG, a significant increase in the KD and Bmax was observed, by 90%(p<0.05), at 10 minutes and 2 hours after injection. However, 5 hours after GAL(1-15) the only significant change remaining was the increase in Bmax at the DG. The coinjection of the GALR2 antagonist M871 blocked significantly the effects induced by GAL(1-15) in both areas. In DR, 2 hours after injection GAL(1-15) only produced a decrease in the Bmax by 20%(p<0.05). These results indicate that GAL(1-15) interacts with 5-HT1AR at the receptor level in DR and Dorsal Hippocampus. Therapeutic strategies based on these results could be developed for the treatment of depression disorders. This work has been supported by Junta de Andalucia CVI646 and Spanish Ministry of Economy PSI2013-44901-P.