The Impact of Bacterial Infection in Gut-First Parkinson’s Disease: the influence of innate immunity activation in α-Synuclein expression and mitochondrial dysfunction

Abstract

A incidência da doença de Parkinson, uma doença neurodegenerativa progressiva que afeta milhões de pessoas, deverá aumentar nas próximas décadas devido ao número crescente de idosos na sociedade ocidental. De um ponto de vista histológico, a DP caracteriza-se pela perda de neurónios dopaminérgicos da Substantia Nigra pars compacta e pela acumulação de α-sinucleína em corpos de Lewy nos neurónios sobreviventes. Os principais sintomas motores da DP são os tremores, a rigidez e a dificuldade no equilíbrio e na coordenação. Os tratamentos disponíveis ajudam a aliviar os sintomas e a manter a qualidade de vida, mas não travam a sua progressão. Por isso, são necessárias terapias mais eficazes e/ou novos alvos terapêuticos para travar a progressão da DP. Assim, é necessária mais investigação para perceber qual a etiologia da DP esporádica. Antes de o diagnóstico clínico ser estabelecido, os doentes com DP apresentam frequentemente uma multiplicidade de sintomas prodrómicos que incluem hiposmia, perturbação do comportamento do sono com movimentos oculares rápidos, perturbações do humor e uma vasta gama de complicações gastrointestinais. Este último é o sintoma prodrómico mais comum relatado pelos doentes com DP. Entre os sintomas gastrointestinais relatados, a obstipação, a disfagia e o inchaço são frequentemente descritos. Devido ao facto de os sintomas prodrómicos ocorrerem antes diagnóstico clinico, surgiu a hipótese do " body-first " para explicar alguns casos de DP. No início dos anos 2000, Heiko Braak colocou a hipótese de que um agente patogénico oportunista poderia estar na origem da DP "body-first". Recentemente, foram observadas alterações no número de diferentes populações bacterianas no intestino, nomeadamente uma diminuição das bactérias produtoras de butirato e um aumento das bactérias pró-inflamatórias. Além disso, foi também demonstrado que os agregados de aSyn que se acumulam no trato gastrointestinal (GIT) podem propagar-se do intestino para o sistema nervoso central (SNC).No Capítulo 3, utilizámos neurónios do mesencéfalo de ratinhos, habitualmente usados em estudos celulares da DP, para compreender como uma bactéria intimamente relacionada com as mitocôndrias altera a sua dinâmica e função. Observámos que a infeção com αProteobacteria alterava a dinâmica das mitocôndrias neuronais, induzindo a fragmentação mitocondrial e a diminuição da mitofagia. Além disso, observámos que os neurónios foram capazes de ativar uma resposta imune inata e, finalmente, observamos um aumento dos agregados de aSyn nas mitocôndrias dos neurónios infectados.No capítulo 4, utilizámos um modelo de ratinho para prever como um evento disbiótico, induzido pela infeção de Listeria monocytogenes 4b no trato gastrointestinal, poderia induzir parkinsonismo em ratinhos. Demonstrámos que a infeção por Listeria leva a uma fragmentação da rede de mitocôndrias nos neurónios entéricos, induzindo uma resposta pró-inflamatória no intestino. Além disso, observámos que a permeabilidade intestinal estava aumentada e permitia que as citocinas pró-inflamatórias fossem para a periferia. Além disso, observamos que nas áreas de contacto com as bactérias, as vilosidades, houve um aumento dos níveis de oligómeros de aSyn. Além disso, os murganhos infectados apresentaram alterações no comportamento motor caraterístico da DP. No cérebro, observámos níveis aumentados de aSyn oligomérica, mitocôndrias fragmentadas e neuroinflamação evidente na SNpc.No capítulo 5, utilizámos uma abordagem diferente das experiências anteriores. Assim, utilizámos a Nocardia cyriacigeorgica, uma bactéria que já tinha sido associada à DP, causando alterações motoras e neurodegeneração dopaminérgica quando injectada na corrente sanguínea de ratinhos. Procurámos explorar uma via mais natural e, por isso, introduzimos a bactéria por gavagem. Uma vez que a Nocardia não é tão virulenta como a Listeria, procurámos imitar um evento disbiótico e pró-inflamatório que é normalmente entendido como facilitador da invasão de agentes patogénicos oportunistas no corpo dos mamíferos. Assim, utilizámos um modelo estabelecido de colite em ratinhos, usando dextran sulfato de sódio, para compreender como a perda da barreira intestinal facilita a neurodegeneração mediada por bactérias. De facto, observámos que a colite em combinação com uma infeção bacteriana exercia alguns efeitos a curto e a longo prazo, mas não reproduzia a DP. A curto prazo, foi observado um grande aumento de eventos pró-inflamatórios, as mitocôndrias dos neurónios entéricos apresentavam uma morfologia alterada concomitantemente com o aumento dos níveis de oligómeros de aSyn no intestino. No entanto, mostramos que a neuroinflamação só ocorreu em ratinhos 12 semanas após a infeção, sem aumento da aSyn ou da neurodegeneração dopaminérgica. Estes resultados permitiram-nos inferir que o processo neurodegenerativo da DP requer que os fatores desencadeantes, facilitadores e agravantes tenha de ocorrer sequencialmente.

Parkinson's disease (PD), a progressive neurodegenerative disorder affecting millions of people, is expected to increase in the coming decades due to the growing number of elderly people in western societies. Histologically, PD is characterized by the loss of dopaminergic neurons of the substantia nigra pars compacta (SNpc) and the accumulation of α-synuclein (aSyn) in Lewy bodies (LBs) in surviving neurons. The cardinal motor symptoms of PD are tremor, rigidity, and difficulties with balance and coordination. Available treatments help relieve symptoms and maintain quality of life. Therefore, there is a need for more effective therapies or new therapeutic targets to halt the progression of PD. Therefore, more research is needed to find the etiology of PD. Before the clinical diagnosis is established, PD patients often experience a variety of prodromal symptoms, including hyposmia, rapid eye movement (REM) sleep behavior disorder (RBD), mood disorders, and a variety of gastrointestinal complications. The latter is the most common prodromal symptom reported by Parkinson's patients. Common gastrointestinal symptoms reported include constipation, dysphagia, bloating, and abdominal fullness. Because prodromal symptoms occur before physical symptoms are evident, the "body first" hypothesis has emerged to explain some PD cases. In the early 2000s, Heiko Braak hypothesized that an opportunistic pathogen could be the origin of "body-first" PD. More recently, changes in the number of different bacterial populations in the gut have been observed, particularly a decrease in butyrate-producing bacteria and an increase in pro-inflammatory bacteria. In addition, aSyn aggregates that accumulate in the gastrointestinal tract (GIT) have been shown to spread from the gut to the central nervous system (CNS).In Chapter 3, we used mouse midbrain neurons, commonly used in cellular studies of Parkinson's disease, to understand how a bacterium closely related to mitochondria alters their dynamics and function. We observed that infection with α-proteobacteria altered the dynamics of neuronal mitochondria, induced mitochondrial fragmentation, and decreased mitophagy. In addition, we observed that neurons were able to activate an innate immune response, and finally, aSyn aggregates increased in the mitochondria of infected neurons.In Chapter 4, we used a mouse model to predict how a dysbiotic event induced by Listeria monocytogenes 4b infection in the gastrointestinal tract could induce parkinsonism in mice. We demonstrated that Listeria infection leads to fragmentation of the mitochondrial network in enteric neurons, thereby inducing a pro-inflammatory response in the gut. In addition, we observed that intestinal permeability was increased, allowing pro-inflammatory cytokines to reach the periphery. We also observed an increase in the levels of aSyn oligomers in the areas of contact with the bacteria, the villi. In addition, the infected mice showed changes in motor behavior that are characteristic of PD. In the brain, we observed increased levels of oligomeric aSyn, fragmented mitochondria and apparent neuroinflammation in the SNpc.Chapter 5 utilized a distinct approach from previous experiments by introducing Nocardia cyriacigeorgica, a bacterium previously linked to PD, into the bloodstream of mice. This resulted in motor deficiencies and dopaminergic neurodegeneration. In this work, we aimed to explore a more natural route by introducing the bacterium through gavage. To investigate the invasion of opportunistic pathogens into the mammalian body, we aimed to mimic a dysbiotic and pro-inflammatory event. As Nocardia is less virulent than Listeria, we chose this approach to create a suitable environment for our investigation. We used an established model of colitis in mice, induced by dextran sulfate sodium (DSS), to understand how the loss of the intestinal barrier facilitates bacteria-mediated neurodegeneration. We observed that a pro-inflammatory event, such as colitis, in combination with a bacterial infection had short- and long-term effects but did not affect the PD neurodegenerative process. In the short term, we observed a significant increase in pro-inflammatory events. Simultaneously, we observed an altered morphology of the mitochondria in enteric neurons, accompanied by an increase in the levels of aSyn oligomers in the intestine. Additionally, we noticed that pro-inflammation persisted in some cases with the combined treatment, whereas it did not with isolated treatments, indicating that the combination of both treatments impedes rapid resolution. However, our findings indicate that neuroinflammation was only present in mice 12 weeks after infection, and there was no increase in aSyn or dopaminergic neurodegeneration. These results suggest that the neurodegenerative process of PD requires triggers, facilitators, and aggravators to occur in a sequential order.