Carbon monoxide-mediated pro-regenerative and non-inflammatory microglial phagocytosis: towards clearance of dead neurons

Abstract

O acidente vascular cerebral (AVC) isquémico provoca morte neuronal. A microglia elimina os neurónios mortos, evitando a amplificação da neurotoxicidade e tentando restaurar a homeostasia. No entanto, o distúrbio da homeostasia causado por um AVC isquémico também provoca neuroinflamação exacerbada, limitando a fagocitose microglial de células mortas. Assim, são necessárias estratégias para melhorar a fagocitose microglial de neurónios mortos. O monóxido de carbono (CO) é uma molécula endógena que apresenta propriedades neuroprotetoras e anti-neuroinflamatórias atuando diretamente na microglia. O CO também pode melhorar a fagocitose microglial de neurónios mortos. Assim, o objetivo desta tese é desvendar se e como o CO modula a fagocitose microglial de neurónios mortos, focando em duas etapas da fagocitose: internalização e degradação de carga. Aqui, uma nova molécula libertadora de CO, ALF-826, foi utilizada para administrar CO sob condições controladas. Em relação à internalização, sob condições inflamatórias, a fagocitose de neurónios mortos diminuiu. No entanto, o pré-tratamento com CO reverteu a internalização para níveis controlo. Além disso, a via de comunicação neurónio-microglia CD200-CD200R parece estar envolvida na melhoria da internalização induzida pelo CO. De facto, a redução da expressão do CD200R provocou um aumento nos níveis de internalização sob condições inflamatórias e impediu que o CO revertesse a internalização de neurónios mortos induzida pelo LPS. Em relação à degradação da carga, na presença de neurónios mortos, o pré-tratamento com CO reverteu parcialmente a diminuição da taxa de degradação de neurónios mortos induzida pelo LPS. Em conclusão, o CO melhorou a internalização e a degradação de neurónios mortos sob condições inflamatórias. Assim, esta tese contribui para uma melhor compreensão dos mecanismos pelos quais o CO melhora a função microglial, apoiando a manutenção da homeostasia.

Ischaemic stroke leads to neuronal cell death. Microglia quickly eliminate the dead neurons, preventing an amplification loop of neurotoxicity and attempting to restore homeostasis. However, the homeostasis disturbance caused by an ischaemic stroke also leads to exacerbated neuroinflammation, limiting microglial phagocytosis of dead cells. Therefore, strategies to improve microglial clearance of dead neurons are needed. Carbon monoxide (CO) is an endogenous molecule that presents neuroprotective and anti-neuroinflammatory properties by directly acting on microglia. CO may also improve the microglial clearance of dying neurons. Thus, the aim of this thesis is to unveil whether and how CO modulates microglial phagocytosis of dead neurons, focusing on two phagocytosis steps: cargo engulfment and degradation. Herein a new CO-releasing molecule (CORM), ALF-826, was used to deliver CO under controlled conditions. Regarding the engulfment step, under inflammatory conditions, the microglial clearance of dead neurons decreased. However, CO pre-treatment reverted the engulfment to control levels. Furthermore, the CD200-CD200R neuron-microglia communication pathway seems to be involved in CO-induced improvement of engulfment. In fact, knocking down microglial CD200R expression caused an increase in engulfment levels under inflammatory conditions, and prevented CO from reverting the LPS-induced dead neurons engulfment. Concerning cargo degradation, in the presence of dead neurons, CO pre-treatment partially reverted the LPS-induced decrease of dead neurons' degradation rate. In conclusion, CO improved both microglial engulfment and degradation of dead neurons under inflammatory conditions. Altogether, this thesis contributes to a better understanding of the mechanisms by which CO improves microglial function for supporting the maintenance of brain homeostasis.