The influence of allergy mediators in the developmental program of ADHD associated circuits

Abstract

A Perturbação de Hiperatividade e Défice de Atenção (PHDA) é um distúrbio do neurodesenvolvimento que afeta em média 5,9% de todas as crianças, para a qual não há atualmente cura e cuja etiologia não é clara. Nos últimos anos têm surgido vastas evidências de foro epidemiológico que apontam não só para uma ocorrência simultânea de alergias e PHDA, mas que também estabelecem uma correlação entre a severidade dos sintomas de ambas. No entanto, apesar do diagnóstico de alergias muitas vezes antecipar o aparecimento de sintomas de PHDA, ainda não foi estabelecida nenhuma relação causal. As alergias são, por defeito, reações exacerbadas contra um alergénio, caracterizadas pela libertação exagerada de uma vasta panóplia de mediadores imunes, entre os quais a interleucina 4 (IL-4), uma molécula que tem sido classificada como essencial tanto na sensitização bem como na resposta alérgica. Esta citocina, que é tipicamente produzida por células T de ajuda do tipo 2, tem funções pleiotrópicas tanto nas alergias como na interface neuroimune do cérebro. Estes factos levam-nos a levantar a hipótese de que um incremento atípico dos níveis de IL-4 em resposta à exposição a um alergénio, pode eventualmente perturbar o desenvolvimento neurotípico do cérebro, facilitando o desenvolvimento de PHDA.Algumas regiões do cérebro, tais como o cerebelo e o córtex pré-frontal, apresentam um desenvolvimento prolongado no tempo. Este período é necessário para terminarem o refinamento das ligações neuronais e a maturação global dos seus circuitos, de forma a alcançarem uma atividade neuronal típica, sendo este processo dependente das células da microglia. Neste contexto, resultados anteriores do laboratório do professor João Peça demonstraram que, quando administrada de forma pontual durante a segunda semana pós-natal, a IL-4 é capaz de perturbar tanto a microglia do cerebelo como o circuito deste, despoletando também comportamentos típicos de PHDA, tais como hiperatividade e impulsividade.Tendo em conta tanto a ligação epidemiológica entre as alergias e a PHDA, como os resultados anteriores fruto da nossa investigação, este trabalho visou perceber de que forma uma exposição pontua à IL-4, durante a segunda semana pós-natal, pode perturbar o desenvolvimento das células microglia e a maturação do circuito do córtex pré-frontal.Os resultados obtidos demonstram que a administração de IL-4 nesta janela crítica do desenvolvimento, resulta a curto prazo numa diminuição do número de microglia fagocítica, especialmente nas camadas V e VI da região infra-límbica e do córtex cingulado anterior, induzindo também mudanças morfológicas distintas de acordo com o sexo dos animais. A exposição a IL-4 resultou também em algumas anomalias a longo prazo. Ao nível do circuito, influenciou o aumento da frequência de mini eventos excitatórios pós sinápticos (dependentes do recetor AMPA) nos neurónios piramidais da região infra-límbica. Simultaneamente, ao nível de comportamento, resultou em dificuldades de aprendizagem que não influenciaram a memória dos animais. No seu conjunto, estes resultados não só solidificam a contribuição do córtex pré frontal no contexto dos comportamentos típicos de PHDA, mas também evidenciaram o papel da IL-4 como um elo em comum entre as alergias e a PHDA.

Attention Deficit/Hyperactivity Disorder (ADHD) is a neurodevelopmental disorder that affects up to 5,9% of all children, for which there is currently no major driver or definitive cure. In recent years, increasing epidemiological evidence has surfaced demonstrating the co-occurrence of ADHD and allergies, as well as correlating the severity of symptoms of one condition with the other. Despite this, and although allergy diagnosis often precedes ADHD symptom onset, no causal link between them has been established yet. The core features of allergies comprise the exacerbated reaction against an environmental trigger that leads to a striking increase in a vast panoply of immune mediators. Among these interleukin(IL)-4 has been recognized as a critical player. This classical T helper 2 cytokine presents pleiotropic functions both during the allergic response and in the brain neuroimmune interface, leading us to hypothesize that an early and unexpected increase in IL-4 levels due to allergen exposure, could disrupt neurotypical brain maturation, facilitating the onset of ADHD. During brain development, some regions such as the cerebellum and the prefrontal cortex, present protracted maturation, relying on microglia to undergo circuit remodeling and the fine-tuning of neuronal activity. In this context, previous data from João Peça’s Lab has demonstrated that an IL-4 challenge during early life is able to disturb both cerebellar microglia and the cerebellar neuronal circuit, while eliciting ADHD-like behaviors, such as hyperactivity and impulsivity. Acknowledging the epidemiological link between allergies and ADHD, as well as previous data from our lab, the present work aimed to understand whether IL-4 acute exposure during the second postnatal week could also perturb microglia development and the maturation of prefrontal cortex circuitry.Our results demonstrate that, in the short-term, IL-4 administration during this critical period of brain development, diminishes the percentage of phagocytic microglia, especially in layers V and VI of the infralimbic and anterior cingulate cortex regions, also leading to relevant and sex-dependent changes in microglia morphology. In the long term, and at the circuit level, we observed an increase in the frequency of AMPA-mediated mini excitatory postsynaptic currents in the pyramidal neurons of the infralimbic region, while at the behavioral level we noticed that IL-4-exposed mice presented learning difficulties, but no memory impairments. Taken together, the present data solidifies the contribution of the prefrontal cortex to ADHD phenotypes, simultaneously highlighting the role of IL-4 as a common agent underlying allergies and ADHD.