Influence of carnitine isoforms and curcumin in models of Alzheimer’s disease - Role of encapsulation in a nanoformulation

Abstract

A doença de Alzheimer (DA) é a principal causa de demência e a doença neurodegenerativa mais prevalente em todo o mundo. Esta patologia é caracterizada por duas características patológicas, a presença de tranças neurofibrilares intracelulares, compostas por tau hiperfosforilada, e placas senis extracelulares, formadas por agregados do péptido beta-amilóide (Aβ). A DA afeta predominantemente os neurónios hipocampais e corticais. A DA é uma doença multifatorial associada a várias desregulações biológicas, incluindo a disfunção mitocondrial, perda sináptica e morte neuronal, bem como a desregulação da microglia e astrócitos, associada a processos neuroinflamatórios. Oligómeros Aβ1-42 (AβO) foram descritos como responsáveis por aumentar os níveis de cálcio mitocondrial e despolarizar as mitocôndrias. Além disso, AβO pode associar-se à mitocôndria interagindo com proteínas envolvidas na dinâmica e função mitocondrial, exacerbando os danos sinápticos e neuronais na DA. Apesar da identificação de vários mecanismos patológicos, ainda não há cura ou terapias neuroprotetoras eficazes para os doentes de Alzheimer. Uma molécula que tem mostrado efeitos benéficos na recuperação da função mitocondrial é a L-carnitina (LC) e as suas diferentes formas, acetil-L-carnitina (ALC) e propionil-L-carnitina (PLC). A ALC demonstrou bons resultados na recuperação de alterações mitocondriais observadas em neurónios primários do hipocampo de rato expostos a AβO. Para além das carnitinas, a curcumina (CUR) é uma outra molécula neuroprotetora, devido ao seu papel na ‘clearance’ de AβO, propriedades anti-inflamatórias e antioxidantes. Com base nessas observações, este trabalho teve como objetivo avaliar os efeitos protetores de LC, ALC, PLC e CUR, isolados ou em combinação em neurónios primários do hipocampo e corticais derivados de murganho APP/PS1 versus tipo selvagem (WT) e em neurónios de rato Wistar expostos a AβO1-42, e ainda produzir e caracterizar uma formulação de lipossomas contendo LC. Os resultados apresentados permitem mostrar que ALC e PLC apresentam efeitos benéficos na recuperação da função mitocondrial, avaliada através da análise do potencial de membrana mitocondrial, e da capacidade redutora celular, um índice de viabilidade celular, em neurónios corticais APP/PS1. Resultados semelhantes foram observados na presença de LC isolada ou LC combinada com CURBERNARDO FIGUEIREDO 9em neurónios corticais de rato expostos a AβO1-42 Os efeitos protetores observados na presença de CUR foram associados a um aumento dos níveis celulares de Nrf2. Adicionalmente, produzimos e caracterizámos uma formulação lipossomal contendo uma percentagem <10% de LC, contudo ainda será necessário analisar a sua eficácia neuroprotetora. Em suma, diferentes formas de carnitina individualmente ou em combinação com curcumina poderão constituir um tratamento promissor para a DA.

Alzheimer ́s disease (AD) is the leading cause of dementia and the most prevalent neurodegenerative disease around the globe. This pathology is characterized by two pathological hallmarks, the formation of intracellular neurofibrillary tangles composed of hyperphosphorylated tau, and extracellular senile plaques formed by amyloid-beta peptide (Aβ) aggregates. AD predominantly affects hippocampal and cortical neurons. AD is a multifactorial disease associated with several biological dysregulations, including mitochondrial dysfunction, synaptic failure, and neuronal loss, as well as dysregulation of microglia and astrocytes, linked to neuroinflammatory processes. Specifically, Aβ1-42 oligomers (AβO) have been described to increase mitochondrial calcium levels and depolarize the mitochondria. In addition, AβO can interact with mitochondria, with proteins involved in mitochondrial dynamics and function, exacerbating synaptic and neuronal damage in AD. Despite the identification of several pathological mechanisms, there is still no cure or effective neuroprotective therapies for AD patients. One molecule that has shown beneficial effects in rescuing mitochondrial dysfunction is L- Carnitine (LC) and its different forms, namely acetyl-L-carnitine (ALC) and propionyl-L- carnitine (PLC). ALC has demonstrated good outcomes in rescuing mitochondrial abnormalities in rat hippocampal primary neurons exposed to AβO. Besides carnitines, curcumin (CUR) is another neuroprotective molecule due to its role in the clearance of AβO, having anti-inflammatory, and antioxidant properties. Based on these observations, this work aimed to evaluate the protective effects of LC, ALC, PLC and CUR, alone or in combination, in primary hippocampal and cortical neurons derived from APP/PS1 versus wild-type (WT) mice and Wistar rat neurons exposed to AβO1-42, and further produce and characterize a liposomal formulation containing LC. We showed that, both ALC and PLC presented beneficial effects in ameliorating mitochondrial dysfunction, as determined by changes in mitochondrial membrane potential, and cell reducing capacity, an index of cell viability, in APP/PS1 mouse cortical neurons. Similar results were observed for, and LC and LC combined with CUR in rat cortical neurons exposedtoAβO1-42 TheprotectiveeffectsofCURwereassociatedwithincreasedcellular levels of Nrf2. Furthermore, a liposomal formulation retaining <10% LC was producedBERNARDO FIGUEIREDO 7and characterized, however its neuroprotective efficacy still need to be further analyzed. Taken all together, carnitine forms individually or combined with curcumin might be a promising treatment for AD.