Inflammatoty mechanisms of blood-brain-barrier damage in drug abuse: focus on CCR5-CCL5 axis

Abstract

O abuso de Drogas é um problema de saúde mundial com sérias consequências sociais e económicas. Nos últimos anos, a expansão dinâmica do mercado de drogas sintéticas levou a um aumento do consumo de psicostimulantes, tais como a metanfetamina (METH), aumentando a prevalência do transtorno de uso de psicostimulantes. O estudo dos processos fisiopatológicos envolvidos no transtorno da adição tem sido maioritariamente focado na disfunção neuronal. No entanto, as drogas de abuso também podem interferir com o sistema imune periférico antes de atravessarem a barreira hematoencefálica (BHE) e atingirem o parênquima cerebral. Assim sendo, este trabalho pretende elucidar o impacto da METH na migração de monócitos através da BHE à luz do eixo CCR5-CCL5 (recetor tipo 5 de quimiocina C-C e respetivo ligando). Neste projeto, para responder ao objetivo proposto, foram utilizados modelos celulares e animais. A fim de clarificar o efeito direto da METH em diferentes tipos celulares, incubamos a linha celular THP-1 com esta droga e foi possível concluir que a viabilidade celular apenas foi afetada por concentrações elevadas (2μM). Contudo, não foram observadas alterações significativas dos níveis de CCR5 expressos pelas THP-1. Complementarmente, utilizamos um modelo in vitro da BHE com células endoteliais hCEMC/D3, para avaliar o impacto da METH na permeabilidade da barreira. Observou-se uma tendência para o aumento da permeabilidade com concentrações de 1μM e 100μM. Além disso, o comportamento de procura pela droga foi avaliado em murganhos C57BL/6 através do teste de preferência de lugar condicionado, onde estes mostraram preferência significativa pela mesma. Posteriormente, recolheu-se para análise bioquímica o sangue e diferentes regiões cerebrais, incluindo o córtex frontal (FC), o hipocampo (Hip) e a amígdala (Amy). No FC e Hip dos animais tratados foi detetada uma menor expressão de CCR5, no entanto, os níveis de proteína permaneceram inalterados nessas mesmas regiões. Por sua vez, o FC parece ser mais suscetível à infiltração de células imunes periféricas, uma vez que apresentou aumento no número de macrófagos derivados de monócitos (MDMs) que expressam CCR5. Relativamente à Amy, não se observou alteração do número de células infiltrantes, mas os MDMs desta região revelaram maior expressão de CCR5 por célula. Quanto ao Hip, não foram identificadas alterações significativas. Perifericamente, houve uma diminuição dos nívels de CCL5 no soro dos animais tratados, juntamente com alterações do recetor nos monócitos sanguíneos. Os monócitos inflamatórios com expressão de CCR5 aumentaram e a expressão do recetor na superfície dos monócitos residentes também. Em conclusão, este trabalho sugere que a METH interfere com a permeabilidade das células endoteliais e com o eixo CCR5-CCL5, tanto no cérebro como no sangue. Simultaneamente, afeta a presença do recetor CCR5 em monócitos e MDMs. Ademais, as diferentes regiões cerebrais mostraram responder de forma diferente ao consumo de METH, sendo que o FC apresentou mais alterações comparativamente à Amy e ao Hip.

Drug abuse is a public health problem worldwide with serious social and economic consequences associated. In recent years, the dynamic expansion of synthetic drugs market led to an increased number of individuals using psychostimulants such as methamphetamine (METH), increasing the prevalence of psychostimulant use disorder. The study of pathophysiological processes involved in addiction have been mainly focused on neuronal dysfunction. Nevertheless, drugs of abuse may also reach peripheral immune cells before crossing the blood-brain barrier (BBB) into the brain and affect the migration of those cells into brain parenchyma. Thus, we aimed to elucidate the impact of METH on monocyte transmigration across BBB at the light of CCR5-CCL5 axis (C–C chemokine receptor type 5 and its ligand). In this project, both cell and animal models were used to achieve the proposed goal. To clarify the direct effect of METH on different cell types, the THP-1 cell line of monocytes was exposed to METH, and it was possible to conclude that cell viability was only affected by high drug concentrations (2 mM). However, no significant alterations were observed on THP-1 CCR5 levels. Complementary, we used a well-established in vitro model of BBB, the hCEMC/D3 endothelial cells, to evaluate METH impact on barrier permeability, and we observed a tendency to increase permeability with 1μM and 100 μM concentrations. Additionally, METH-seeking behaviour was evaluated on C57BL/6 mice through condition place preference test, and they showed significant preference for METH. Afterwards, blood and different brain regions, specifically frontal cortex (FC), hippocampus (Hip) and amygdala (Amy) were collected for biochemical analysis. We detected a lower expression of CCR5 in the FC and Hip of treated animals, however the total protein levels remained unaltered on those same regions. In turn, FC seems more susceptible to infiltration of peripheral immune cells, since it presented an increased number of monocytes-derived macrophages (MDMs) expressing CCR5. Regarding Amy, it did not show alterations in the number of infiltrating cells, but yet presented higher expression of CCR5 in MDMs. No significant alterations were identified in the hippocampus. In the periphery, a downregulation of CCL5 serum levels was identified, along with alterations in blood monocytes. Inflammatory monocytes expressing CCR5 were increased, as well as the expression of the receptor in the surface of resident monocytes. In conclusion, our work suggests that METH consumption interferes with permeability of endothelial cells and provokes alterations on CCR5-CCL5 axis, both in the brain and periphery, by interfere with CCR5 expression (FC and Hip) and serum levels of CCL5, while affecting the presence of CCR5 in immune cells. Moreover, different brain regions seem to respond differently to METH consumption, and FC showed more alterations comparing to Amy and Hip.