The amazing anti-type 2 diabetic drugs in neurodegeneration: the impact of exendin-4, liraglutide and linagliptin in type 2 diabetes, Alzheimer disease and Parkinson disease

Abstract

Type 2 diabetes (T2D) is a noisy “silent killer”, which has already attained the status of a global pandemic, which affects millions of people spread to every corner of the world, with the aggravating that millions more are currently living with this disease without even knowing. Even so, more efforts have to be done to the awareness, understanding and treatment of T2D in order to avoid an uncontrolled developing of long-term complications that influence on disease outcome, quality of life and mortality. Indeed, T2D menace and health burden continues to rise as consistent epidemiological evidence suggests an increased risk of neurodegenerative disorders associated to T2D. Though the precise mechanisms underlying the deleterious T2D-related effects to brain structure and function remain elusive, the most plausible players include impaired insulin signaling, impaired glucose distribution and utilization, hyperglycemia, pro-inflammatory state, as well as brain insulin resistance, metabolic impairments, oxidative stress and mitochondrial dysfunction. The work presented in this Thesis is a mean of clarifying and solidifying notions of the impact of T2D in the brain and of it association with other prevalent age-related neurodegenerative diseases, such as Alzheimer disease (AD) and Parkinson disease (PD). In addition, we addressed the sex dimorphism upon T2D and how sex-associated alterations differentially affects the risk for cognitive decline and for dementia. Furthermore, given the pathophysiological mechanisms linking T2D and neurodegeneration, we evaluated the efficacy of incretin-based therapies in the improvement of central nervous system (CNS) function associated with impairments upon T2D, aging, AD and PD. In Chapter 3, we used the non-obese, spontaneously T2D, Goto-Kakizaki (GK) rat to compare middle-aged males and females’ hormone-mediated intracellular signaling pathways (estrogen/insulin-like growth factor-1 (IGF-1)/insulin-related signaling) in T2D brain cortices, and consequent modulation of disease outcome (oxidative stress markers and AD-like hallmarks). Overall, observations showed a sex-specific time window for efficient approaches against T2D and AD pathologies. If on the one hand, perimenopause females’ brains exhibited lower brain cholesterol, dehydroepiandrosterone (DHEA), testosterone and IGF-1 levels, particularly upon T2D, on the other hand, compensatory mechanisms based on the upkeep of estrogen, IGF-1, and insulin receptors function and downstream signaling were responsible for the decreased levels of oxidation (thiobarbituric acid reactive substances (TBARS) and 8-hydroxy-2-deoxyguanosine (8-OHdG) levels) and AD-related (β-secretase (BACE) activity and amyloid beta (Aβ)1-42 levels) markers. Regarding the impact of incretin-based anti-T2D drugs, using either glucagon-like peptide-1 (GLP-1) receptor (GLP-1R) agonists or dipeptidyl peptidase-4 (DPP-4) inhibitors (DPP-4i), in Chapters 4 and 5 we evaluated the effects of the GLP-1 mimetic exendin-4 (Ex-4) in middle-aged male T2D GK rats. Data derived from Chapter 4 elucidated the impact of a chronic continuous peripheral Ex-4 therapy in brain cortical GLP-1/insulin/IGF-1 signaling, and the subsequent autophagic and cell death mechanisms (apoptosis and necroptosis) upon T2D. In Chapter 5, we evaluated the effects of Ex-4 administration on the T2D brain energetic status through the evaluation of the brain glucose uptake, glucose levels and metabolism, of the content of essential aminoacids, levels of ketone bodies, energy production, mitochondrial respiratory chain activity and dynamics. Altogether, studies with Ex-4 demonstrated a promising therapy against T2D, overcoming T2D-associated peripheral pathological hallmarks, as well as chronic complications affecting the brain, namely by rescuing of brain cortical GLP-1 and IGF-1 levels, activating brain cortical protein kinase A (PKA) and phosphatidylinositol 3-kinase (PI3K)/protein kinase B (Akt) signaling pathways. These may in turn, reverse the brain glucose dysmetabolism (by reduction of brain glucose levels and 3-hydroxybutyric acid (BOH) concentration, and increase of synaptic glucose uptake, enzymatic activities and energy charge (adenosine triphosphate (ATP), adenosine diphosphate (ADP) and adenosine monophosphate (AMP) levels)), and promote autophagy (through the mechanistic target of rapamycin (mTOR) activation, PI3K class III, microtubule-associated protein 1A/1B-light chain 3B (LC3) II, autophagy-related protein (Atg)7, p62 and lysosomal-associated membrane protein (LAMP-1) expressions) and mitophagy (Parkin expression), ultimately exerting an anti-apoptotic effect (caspase-1, caspase-3 and caspase-8-like activities and mitochondrial cytochrome c and B-cell lymphoma 2 (Bcl2) levels). Chapter 6 focused on the T2D- and/or aging-induced neural alterations in the brain areas of the dopaminergic system, modulating the neuronal degeneration that characterizes diseases such as PD, and on the potential of the DPP-4i, linagliptin, as a therapy to revert these pathological changes in middle-aged, high fat diet (HFD)-induced T2D mice. Observations from these studies revealed an age-associated loss of parvalbumin (PV) interneurons (involved in the protection of the striatal pathway) and an increase in astrogliosis and neuroinflammation (by the higher presence of glial fibrillary acidic protein (GFAP) and ionized calcium-binding adaptor molecule-1 (Iba-1) positive cells), while T2D did not exacerbate these effects. Moreover, chronic oral administration of linagliptin demonstrated neuroprotective effects by mitigating the rise of astrocytes and microglial cells in middle-aged T2D mice. In order to validate the GLP-1 analogous liraglutide as a treatment against AD, in Chapter 7 we evaluated the impact of a chronic peripheral administration of the anti-T2D drug in mature 3xTg-AD (triple transgenic mouse model of AD) female mice. Our results suggest that liraglutide therapy positively impacted peripheral and brain cortical inflammation (C-Reactive Protein (CRP), interleukin (IL)-1β and IL-10 levels), normalized GLP-1-related signaling (estradiol, GLP-1 and active PKA levels), promoted brain glucose metabolism (glucose-6-phosphate-dehydrogenase (G6PDH) activity), altered brain mitochondrial fission/fusion machinery (mitochondrial fission 1 protein (Fis1) and mitochondrial dynamin-like 120 kDa protein (OPA1) levels), attenuated oxidative/nitrosative stress (8-OHdG, TBARS, carbonyl groups and nitrites content) and reduced cortical Aβ1–42 levels of female mice with early AD-like pathology. Taken together, the findings obtained from this Thesis revealed that a differential sex steroid hormone profile/action plays a pivotal role in brain over T2D progression, affecting the risk to develop AD-like pathology. Furthermore, it also serves to reinforce the existing link between T2D pathophysiology and the exacerbation of neurodegenerative processes, contributing to the development of a number of brain disorders (e.g. AD and PD). Finally, the work presented herein represents the potential implications of anti-T2D incretin-based therapies (e.g. Ex-4, liraglutide and linagliptin) against CNS impairments associated with T2D, AD, PD and/or aging.

A diabetes tipo 2 (T2D) é uma barulhenta “assassina silenciosa”, sendo considerada uma pandemia que afeta milhões de pessoas espalhadas por todos os cantos do mundo, com a agravante de que milhões mais vivem atualmente com esta doença sem sequer saber. Mesmo assim, mais esforços devem ser feitos para a consciencialização, compreensão e tratamento da T2D, a fim de evitar o desenvolvimento descontrolado de complicações a longo prazo que influenciam o desfecho da doença, a qualidade de vida e a mortalidade. De fato, a ameaça da T2D e o seu peso na saúde continuam a aumentar enquanto evidências epidemiológicas consistentes sugerem um risco aumentado de doenças neurodegenerativas associadas à T2D. Embora os mecanismos subjacentes aos efeitos deletérios da T2D na estrutura e função do cérebro permaneçam elusivos, os intervenientes mais plausíveis incluem comprometimentos na sinalização de insulina e na distribuição e utilização de glicose, hiperglicemia, estado pró-inflamatório e, a nível cerebral, teremos uma resistência à insulina, deficiências metabólicas, stress oxidativo e disfunção mitocondrial. O trabalho apresentado nesta Tese serviu para esclarecer e solidificar noções sobre o impacto da T2D no cérebro, e a associação desta com outras doenças neurodegenerativas prevalentes relacionadas com a idade, tais como a doença de Alzheimer (AD) e a doença de Parkinson (PD). Para além do mais, também abordamos o dimorfismo sexual na T2D e como as alterações associadas ao sexo afetam diferencialmente o risco de declínio cognitivo e de demência. Além disso, dados os mecanismos fisiopatológicos que ligam a T2D e a neurodegeneração, avaliámos a eficácia de terapias baseadas em incretinas na melhoria da função do sistema nervoso central (CNS) associada a deficiências na T2D, no envelhecimento, na AD e na PD. No Capítulo 3, usámos o rato Goto-Kakizaki (GK), não obeso, espontaneamente T2D, para comparar as vias de sinalização intracelular mediadas por hormonas de machos e fêmeas de meia-idade (sinalização relacionada ao estrogénio/fator de crescimento semelhante à insulina-1 (IGF-1)/insulina) em córtices cerebrais T2D e consequente modulação do resultado da doença (marcadores de stresse oxidativo e marcadores associados à AD). As observações gerais mostraram uma janela de tempo específica relacionada ao sexo para abordagens eficientes contra a T2D e AD. Se por um lado, os cérebros de ratos do sexo feminino na perimenopausa exibiram níveis mais baixos de colesterol cerebral, dehidroepiandrosterona (DHEA), testosterona e IGF-1, particularmente em T2D, por outro lado, mecanismos compensatórios baseados na manutenção da função do estrogénio, do IGF-1 e dos recetores de insulina e da sinalização a jusante foram responsáveis pela diminuição dos níveis de oxidação (substâncias reativas ao ácido tiobarbitúrico (TBARS) e níveis de 8-hidroxi-2-desoxiguanosina (8-OHdG)) e dos marcadores relacionados com a AD (atividade da β-secretase (BACE) e níveis de beta amilóide (Aβ)1-42). Em relação ao impacto dos medicamentos anti-T2D à base de incretina, nos Capitulos 4 e 5 utilizaram-se agonistas do recetor do peptídeo semelhante ao glucagon-1 (GLP-1) (GLP-1R) ou inibidores da dipeptidil peptidase-4 (DPP-4) (DPP-4i), para avaliar os efeitos do mimético do GLP-1, exendina-4 (Ex-4), em ratos do sexo masculino, T2D GK de meia-idade. Os dados derivados do Capítulo 4 elucidaram sobre o impacto de uma terapia periférica, contínua e crónica com Ex-4 na sinalização cortical cerebral de GLP-1/insulina/IGF-1 e subsequentes mecanismos autofágicos e de morte celular (apoptose e necroptose) em T2D. No Capítulo 5, avaliámos os efeitos da administração de Ex-4 no estado energético do cérebro T2D por meio da captação cerebral de glicose, dos níveis e metabolismo da glicose, do conteúdo de aminoácidos essenciais, dos níveis de corpos cetónicos, da produção de energia e da atividade da cadeia respiratória e da dinâmica mitocondrial. No conjunto, os estudos com Ex-4 demonstraram ser uma terapia promissora contra a T2D, superando marcas patológicas periféricas associadas à T2D, bem como complicações crónicas que afetam o cérebro, nomeadamente pelo resgate dos níveis cortical cerebrais de GLP-1 e IGF-1, ativando as vias de sinalização cortical cerebrais mediadas pela proteína da quinase A (PKA) e pelas fosfatidilinositol 3-quinase (PI3K)/proteína quinase B (Akt). Estas reverteram o dismetabolismo da glicose (por redução dos níveis de glicose no cérebro e da concentração de ácido beta-hidroxibutírico (BOH) e pelo aumento da captação sináptica de glicose, das atividades enzimáticas e da carga energética (níveis de adenosina trifosfato (ATP), adenosina difosfato (ADP) e adenosina monofosfato (AMP)) e promoveram a autofagia (ativação do alvo mecanístico de rapamicina (mTOR), expressões da PI3K classe III, da proteína 1A/1B- associada aos microtúbulos cadeia leve 3B (LC3) II, da proteína relacionada à autofagia (Atg) 7, da p62 e da proteína de membrana associada a lisossoma (LAMP-1)) e mitofagia (expressão da Parkin), e por fim, exerceram um efeito anti-apoptótico (atividades semelhantes à caspase-1, caspase-3 e caspase-8 e níveis de citocromo c mitocondrial e de linfoma 2 de células B (Bcl2)). O Capítulo 6 focou-se nas alterações neurais induzidas pela T2D e/ou envelhecimento nas áreas cerebrais do sistema dopaminérgico, modulando a degeneração neuronal que caracteriza doenças como a PD, e no potencial do DPP-4i, linagliptina, como uma terapia para reverter essas mudanças patológicas em murganhos T2D de meia-idade induzidos por dieta rica em gordura (HFD). As observações destes estudos revelaram uma perda de interneurónios de parvalbumina (PV) (envolvida na proteção da via estriatal) associada à idade e um aumento na astrogliose e neuroinflamação (pela maior presença de células positivas à proteína glial fibrilar ácida (GFAP) e à ligação de cálcio ionizado da molécula adaptadora 1 (Iba-1)), enquanto a T2D não exacerbou esses efeitos. Além disso, a administração oral e crónica de linagliptina demonstrou efeitos neuroprotetores ao mitigar o aumento de astrócitos e células microgliais em murganhos T2D de meia-idade. A fim de validar o análogo do GLP-1 liraglutide como um tratamento contra a AD, no Capítulo 7 avaliámos o impacto de uma administração periférica e crónica do fármaco anti-T2D em murganhos fêmeas do sexo feminino, maduras, de 3xTg-AD (modelo triplo transgénico da AD de murganho). Os nossos resultados sugerem que a terapia com liraglutide impactou positivamente a inflamação periférica e cortical cerebral (níveis da proteína C-reativa (CRP), da interleucina (IL)-1β e da IL-10), normalizou a sinalização relacionada ao GLP-1 (níveis de estradiol, de GLP-1 e da PKA ativa), promoveu o metabolismo da glicose cerebral (atividade da glicose-6-fosfato-desidrogenase (G6PDH)), alterou a maquinaria de fusão/fissão mitocondrial do cérebro (níveis da proteína de fissão mitocondrial 1 (Fis1) e da proteína mitocondrial tipo dinamina 120 kDa (OPA1)), atenuou o stress oxidativo/nitrosativo (8-OHdG, TBARS, grupos carbonil e conteúdo de nitritos) e reduziu os níveis corticais de Aβ1–42 de murganhos fêmeas com patologia semelhante à AD precoce. No seu conjunto, os resultados obtidos ao longo desta Tese revelaram que um perfil/ação diferencial das hormonas esteroides sexuais desempenha um papel central no cérebro durante a progressão da T2D, afetando o risco de desenvolver patologia semelhante à AD. Além disso, também serve como um reforço da ligação existente entre a fisiopatologia da T2D e a exacerbação de processos neurodegenerativos, contribuindo para o desenvolvimento de uma série de distúrbios cerebrais (por exemplo, AD e PD). Finalmente, o trabalho aqui apresentado representa as implicações potenciais das terapias anti-T2D baseadas em incretinas (por exemplo, Ex-4, liraglutide e linagliptina) contra deficiências do CNS associadas à T2D, AD, PD e/ou envelhecimento.