Glucocorticoid Effects in the Developing Hippocampus: a Morphometric Assessment

Abstract

Os mecanismos neurobiológicos subjacentes ao desenvolvimento cerebral dependem da constante harmonia entre os fatores endógenos e exógenos que os coordenam. Em circunstâncias em que o ambiente fetal se encontre alterado, como no caso da exposição a glucocorticoides, o desenvolvimento neurológico poder-se-á desviar do seu curso normal, culminando na formação de cérebros anómalos e disfuncionais.De facto, está extensivamente descrito que a exposição a elevadas concentrações de glucocorticoides (devido a tratamentos farmacológicos ou stress) pode ter efeitos deletérios no cérebro. Recentemente, demonstrámos que ratos expostos a dexametasona (glucocorticoide sintético) durante o período pré-natal, apresentam comportamento tipo ansioso. Por sua vez, estas modificações comportamentais encontram-se positivamente correlacionadas com alterações estruturais nas células da microglia do córtex pré-frontal. Curiosamente, a remodelação citoarquitectural das células da microglia apresentou efeitos dependentes do sexo, uma vez que a dexametasona promoveu modificações morfológicas diferentes entre machos e fêmeas. De modo a superar os défices comportamentais observados, o bloqueio farmacológico crónico dos recetores de adenosina A2A, importantes reguladores fisiológicos da microglia, provou ser eficaz,apenas em machos. A melhoria a nível comportamental também se refletiu numa melhoria a nível estrutural nas células da microglia, comprometendo ainda mais a morfologia destas células em fêmeas.Relativamente ao hipocampo, uma região cerebral intimamente ligada ao comportamento, observámos que a dexametasona no período pré-natal induz alterações estruturais a longo prazo na microglia de fêmeas. Estas modificações foram acompanhadas por défices de conectividade entre o córtex pré-frontal e o hipocampo, sugerindo possíveis alterações na integridade estrutural do hipocampo.No presente trabalho, de forma a explorar a possível especificidade de género na região do hipocampo e a extensão das alterações induzidas pela exposição a dexametasona, analisou-se a estrutura celular na formação hipocampal (CA1 e giro denteado) em ratos machos adultos submetidos a dexametasona in utero. Modelos tridimensionais de neurónios piramidais da região CA1 reconstruídos manualmente apresentaram um aumento nas ramificações dendríticas basais e apicais, com um ligeiro aumento no número de ramificações. Esta restruturação também foi notável a nível sinático. Em culturas organotípicas de hipocampo, um breve estímulo com dexametasona mostrou tendência a promover a maturação de espículas dendríticas na mesma população neuronal.Quanto à morfologia da microglia, a dexametasona promoveu um ligeiro aumento no comprimento e número de processos no giro denteado. Após o bloqueio crónico dos recetores adenosinérgicos A2A na idade adulta, animais expostos a dexametasona durante o período gestacional apresentaram células da microglia hipertróficas, com um aumento acentuado no comprimento e número de processos. Estes resultados contrastaram com os observados em ratos fêmeas, nos quais o bloqueio crónico dos recetores A2A induziu uma recuperação parcial na morfologia da microglia no hipocampo. A implicação dos recetores adenosinérgicos A2A como moduladores morfológicos da microglia foi igualmente validada em murganhos knockout para este recetor, onde machos adultos exibiram microglia com ligeiras alterações estruturais.Este estudo detalhou a remodelação estrutural a nível celular no cérebro em desenvolvimento exposto a concentrações elevadas de glucocorticoides, enfatizando o sexo e as regiões cerebrais enquanto moduladores diferenciais destes efeitos. Demonstrámos queé essencial discriminar as repostas de cada sexo não apenas perante distúrbios mas também perante tratamentos farmacológicos aquando da avaliação de alterações estruturais e das suas implicações no funcionamento cerebral e no comportamento. Esta consciencialização é imperativa para o desenvolvimento de novas ferramentas farmacológicas, principalmente no tratamento de patologias com diferentes suscetibilidades entre sexos, como os distúrbios psiquiátricos.

The neurobiological mechanisms underlying brain development rely on the constant harmony between the endogenous and exogenous factors that coordinate them. In case of compromised fetal environment, the neurodevelopmental programming can deviate from its normal course, leading to dysfunctional brains with altered functionality, as is the case of glucocorticoid exposure.Indeed, it is widely reported that the exposure to high levels of glucocorticoids during development (due to pharmacological treatment or stress) can have deleterious effects in the brain. Recently, we demonstrated that rats prenatally exposed to dexamethasone, a synthetic glucocorticoid, present anxious like behaviour which positively correlates with morphological alterations in prefrontal cortex microglial cells. Interestingly, the cytoarchitectural remodelling had a strong gender-biased effect, since dexamethasone elicited different structural alterations according to sex. To overcome the behavioural deficits, a pharmacological chronic blockade of adenosine A2A receptors, important modulators of microglia morphology, proved to be efficient, but only in males. The improvement in behaviour was correlated with an amelioration regarding microglia structure, while further compromising microglia in females.Regarding the hippocampus, which has a central role in behaviour, we observed that antenatal dexamethasone also induces long-term structural alterations in microglia in females. These alterations were accompanied by connectivity deficits between the prefrontal cortex and the hippocampus, further suggesting that the structural integrity of the hippocampal region is compromised.In this work, to explore gender specificity regarding the hippocampus and the extent of its compromise upon dexamethasone exposure, we assessed the cellular structure in the hippocampal formation (CA1 and dentate gyrus) in adult male rats exposed to dexamethasone in utero. Manual reconstructed pyramidal neurons from the CA1 presented heightened dendritic length in both basal and apical arborization with a mild increase in dendritic ramification, showing an overall structural hypertrophy. This structure remodelling was also noticeable at the synaptic level. In organotypical hippocampal slices, acute dexamethasone stimulus showed minor tendencies in promoting spine maturation in the same neuronal population. Concerning microglia morphology, prenatal dexamethasone promoted a slight increase in the length and number of processes in the dentate gyrus. Upon a chronic blockade of adenosine A2A receptors in adulthood, dexamethasone exposed animals revealed a marked structural hypertrophy, with increased length and number of processes. These results contrasted with females, since adenosine A2A receptor blockade induced a partial recovery in microglia morphology in the hippocampus. The implication of the adenosine A2A receptors was furthered validate in knockout mice for this receptor, where adult male microglia exhibited some minor structural alterations.This study further portrays the cellular structural remodelling in the developing brain exposed to elevated glucocorticoid levels, clearly emphasizing the importance of both sex and brain region in the modulation of these effects. Thus, when accounting structural alterations and their impact in brain function and behaviour, it is essential to have in mind the differential responses of each gender not only towards the insult but also to the pharmacological treatments. Finally, this awareness is imperative in the development of new pharmacological treatments, particularly regarding disorders with gender-specific susceptibilities such as psychiatric disorders.