Selective down-regulation of the astrocyte glutamate transporters GLT-1 and GLAST within the medial thalamus in experimental wernicke's encephalopathy

Although earlier studies on thiamine deficiency have reported increases in extracellular glutamate concentration in the thalamus, a vulnerable region of the brain in this disorder, the mechanism by which this occurs has remained unresolved. Treatment with pyrithiamine, a central thiamine antagonist, resulted in a 71 and 55% decrease in protein levels of the astrocyte glutamate transporters GLT-1 and GLAST, respectively, by immunoblotting in the medial thalamus of day 14 symptomatic rats at loss of righting reflexes. These changes occurred prior to the onset of convulsions and pannecrosis. Loss of both GLT-1 and GLAST transporter sites was also confirmed in this region of the thalamus at the symptomatic stage using immunohistochemical methods. In contrast, no change in either transporter protein was detected in the non-vulnerable frontal parietal cortex. These effects are selective; protein levels of the astrocyte GABA transporter GAT-3 were unaffected in the medial thalamus. In addition, astrocyte-specific glial fibrillary acidic protein (GFAP) content was unchanged in this brain region, suggesting that astrocytes are spared in this disorder. Loss of GLT-1 or GLAST protein was not observed on day 12 of treatment, indicating that down-regulation of these transporters occurs within 48 h prior to loss of righting reflexes. Finally, GLT-1 content was positively correlated with levels of the neurofilament protein alpha -internexin, suggesting that early neuronal drop-out may contribute to the down-regulation of this glutamate transporter and subsequent pannecrosis. A selective, focal loss of GLT-1 and GLAST transporter proteins provides a rational explanation for the increase in interstitial glutamate levels, and may play a major role in the selective vulnerability of thalamic structures to thiamine deficiency-induced cell death.

Glucose induced IEG expression in the thiamin-deficient rat brain

Glucose loading of rats made thiamin deficient by dietary deprivation of thiamin and the administration of pyrithiamin (40 mug/100 g, i.p.) precipitates an acute neuropathy, a model of Wernicke's encephalopathy in man (Zimitat and Nixon, Metab. Brain Dis. 1999;14:1-20). Immunohistochemical detection of Fos proteins was used as a marker to identify neuronal populations in the thiamin-deficient rat brain affected by glucose loading. As thiamin deficiency progressed, the extent and intensity of Fos-Like immunoreactivity (FLI) in brain structures typically affected by thiamin deficiency (the thalamus, mammillary bodies, inferior colliculus, vestibular nucleus and inferior olives) were markedly increased when compared to thiamin-replete controls. Glucose loading for 1-3 days further increased the intensity of FLI in these same regions, consistent with a dependence of Fos expression on carbohydrate metabolism as well as on thiamin deficiency. The timed acute changes that follow a bolus glucose load administered to thiamin-deficient animals may provide a sequential account of events in the pathogenesis of brain damage in this model of Wernicke's encephalopathy. (C) 2001 Elsevier Science B.V. All rights reserved.

Metabolomics analysis in rats with thiamine deficiency identifies key metabolites in vulnerable brain regions and suggests neural stem progenitor cells play a role in ameliorating metabolic dysfunction

La documentation scientifique fait état de la présence, chez l’adulte, de cellules souches et progénitrices neurales (CSPN) endogènes dans les zones sous-ventriculaire et sous-granulaire du cerveau ainsi que dans le gyrus denté de l’hippocampe. De plus, un postulat selon lequel il serait également possible de retrouver ce type de cellules dans la moelle épinière et le néocortex des mammifères adultes a été énoncé. L’encéphalopathie de Wernicke, un trouble neurologique grave toutefois réversible qui entraîne un dysfonctionnement, voire une défaillance du cerveau, est causée principalement par une carence importante en thiamine (CT). Des observations récentes laissent envisager que les facteurs en cause dans la prolifération et la différenciation des CSPN pourraient également jouer un rôle important lors d’un épisode de CT. L’hypothèse, selon laquelle l’identification de nouveaux métabolites entrant dans le mécanisme ou la séquence de réactions se soldant en une CT pourraient en faciliter la compréhension, a été émise au moyen d'une démarche en cours permettant d’établir le profil des modifications métaboliques qui surviennent en de telles situations. Cette approche a été utilisée pour constater les changements métaboliques survenus au niveau du foyer cérébral dans un modèle de rats déficients en thiamine (rats DT), particulièrement au niveau du thalamus et du colliculus inférieur (CI). La greffe de CSPN a quant à elle été envisagée afin d’apporter de nouvelles informations sur la participation des CSPN lors d’un épisode de CT et de déterminer les bénéfices thérapeutiques potentiels offerts par cette intervention. Les sujets de l’étude étaient répartis en quatre groupes expérimentaux : un premier groupe constitué de rats dont la CT était induite par la pyrithiamine (rats DTiP), un deuxième groupe constitué de rats-contrôles nourris ensemble (« pair-fed control rats » ou rats PFC) ainsi que deux groupes de rats ayant subi une greffe de CSPN, soit un groupe de rats DTiP greffés et un dernier groupe constitué de rats-contrôles (rats PFC) greffés. Les échantillons de foyers cérébraux (thalamus et CI) des quatre groupes de rats ont été prélevés et soumis à des analyses métabolomiques non ciblées ainsi qu’à une analyse visuelle par microscopie à balayage électronique (SEM). Une variété de métabolites-clés a été observée chez les groupes de rats déficients en thiamine (rats DTiP) en plus de plusieurs métabolites dont la documentation ne faisait pas mention. On a notamment constaté la présence d’acides biliaires, d’acide cynurénique et d’acide 1,9— diméthylurique dans le thalamus, alors que la présence de taurine et de carnosine a été observée dans le colliculus inférieur. L’étude a de plus démontré une possible implication des CSPN endogènes dans les foyers cérébraux du thalamus et du colliculus inférieur en identifiant les métabolites-clés ciblant les CSPN. Enfin, les analyses par SEM ont montré une amélioration notable des tissus à la suite de la greffe de CSPN. Ces constatations suggèrent que l’utilisation de CSPN pourrait s’avérer une avenue thérapeutique intéressante pour soulager la dégénérescence symptomatique liée à une grave carence en thiamine chez l’humain.

Metabolomics analysis in rats with thiamine deficiency identifies key metabolites in vulnerable brain regions and suggests neural stem progenitor cells play a role in ameliorating metabolic dysfunction

La documentation scientifique fait état de la présence, chez l’adulte, de cellules souches et progénitrices neurales (CSPN) endogènes dans les zones sous-ventriculaire et sous-granulaire du cerveau ainsi que dans le gyrus denté de l’hippocampe. De plus, un postulat selon lequel il serait également possible de retrouver ce type de cellules dans la moelle épinière et le néocortex des mammifères adultes a été énoncé. L’encéphalopathie de Wernicke, un trouble neurologique grave toutefois réversible qui entraîne un dysfonctionnement, voire une défaillance du cerveau, est causée principalement par une carence importante en thiamine (CT). Des observations récentes laissent envisager que les facteurs en cause dans la prolifération et la différenciation des CSPN pourraient également jouer un rôle important lors d’un épisode de CT. L’hypothèse, selon laquelle l’identification de nouveaux métabolites entrant dans le mécanisme ou la séquence de réactions se soldant en une CT pourraient en faciliter la compréhension, a été émise au moyen d'une démarche en cours permettant d’établir le profil des modifications métaboliques qui surviennent en de telles situations. Cette approche a été utilisée pour constater les changements métaboliques survenus au niveau du foyer cérébral dans un modèle de rats déficients en thiamine (rats DT), particulièrement au niveau du thalamus et du colliculus inférieur (CI). La greffe de CSPN a quant à elle été envisagée afin d’apporter de nouvelles informations sur la participation des CSPN lors d’un épisode de CT et de déterminer les bénéfices thérapeutiques potentiels offerts par cette intervention. Les sujets de l’étude étaient répartis en quatre groupes expérimentaux : un premier groupe constitué de rats dont la CT était induite par la pyrithiamine (rats DTiP), un deuxième groupe constitué de rats-contrôles nourris ensemble (« pair-fed control rats » ou rats PFC) ainsi que deux groupes de rats ayant subi une greffe de CSPN, soit un groupe de rats DTiP greffés et un dernier groupe constitué de rats-contrôles (rats PFC) greffés. Les échantillons de foyers cérébraux (thalamus et CI) des quatre groupes de rats ont été prélevés et soumis à des analyses métabolomiques non ciblées ainsi qu’à une analyse visuelle par microscopie à balayage électronique (SEM). Une variété de métabolites-clés a été observée chez les groupes de rats déficients en thiamine (rats DTiP) en plus de plusieurs métabolites dont la documentation ne faisait pas mention. On a notamment constaté la présence d’acides biliaires, d’acide cynurénique et d’acide 1,9— diméthylurique dans le thalamus, alors que la présence de taurine et de carnosine a été observée dans le colliculus inférieur. L’étude a de plus démontré une possible implication des CSPN endogènes dans les foyers cérébraux du thalamus et du colliculus inférieur en identifiant les métabolites-clés ciblant les CSPN. Enfin, les analyses par SEM ont montré une amélioration notable des tissus à la suite de la greffe de CSPN. Ces constatations suggèrent que l’utilisation de CSPN pourrait s’avérer une avenue thérapeutique intéressante pour soulager la dégénérescence symptomatique liée à une grave carence en thiamine chez l’humain.

Thiamine Deficiency Results in Downregulation of the GLAST Glutamate Transporter in Cultured Astrocytes

Pyrithiamine-induced thiamine deficiency (TD) is a well-established model of Wernicke's encephalopathy in which a glutamate-mediated excitotoxic mechanism may play an important role in determining selective vulnerability. In order to examine this possibility, cultured astrocytes were exposed to TD and effects on glutamate transport and metabolic function were studied. TD led to decreases in cellular levels of thiamine and thiamine diphosphate (TDP) after 24 h of treatment and decreased activities of the TDP-dependent enzymes alpha-ketoglutarate dehydrogenase and transketolase after 4 and 7 days, respectively. TD treatment for 10 days led to a reversible decrease in the uptake of [H-3]-D-aspartate, a nonmetabolizable analogue of glutamate. Kinetic analysis revealed that the uptake inhibition was caused by a 47% decrease in the V-max for uptake of [H-3]-D-aspartate, with no change in the K-m value. Immunoblotting showed that this decrease in uptake was due to an 81% downregulation of the astrocyte-specific GLAST glutamate transporter. Loss of uptake activity and GLAST protein were blocked by treatment with the protein kinase C inhibitor H7, while exposure to DCG IV, a group II metabotropic glutamate receptor (mGluR) agonist, resulted in improvement of [H-3]-D-aspartate uptake and a partial reversal of transporter downregulation. These results are consistent with our recent in vivo findings of a loss of astrocytic glutamate transporters in TD and provide evidence that TD conditions may increase phosphorylation. of GLAST, contributing to its downregulation. In addition, manipulation of group II mGluR activity may provide an important strategy in the treatment of this disorder. (C) 2003 Wiley-Liss, Inc.