The potential neuroprotective role of carboxyhemoglobin (COHb) against hemorrhagic stroke

Abstract

Stroke is the leading cause of death in Portugal and a major global cause of permanent neurological disability. Although hemorrhagic stroke accounts for just 15% of all stroke cases, it poses a higher risk of mortality by triggering harmful biological processes, including oxidative stress, increased neuroinflammation, neuronal damage and blood-brain barrier (BBB) dysfunction. Cell-free hemoglobin (Hb), released after the rupture of red blood cells, is easily oxidized into pro -oxidant forms like methemoglobin (MetHb) that further contribute to these harmful processes. Addressing the harmful effects of pro-oxidant MetHb represents a potential therapeutic strategy for hemorrhagic stroke. Carbon monoxide (CO), a gas endogenously produced by the stress-response enzyme heme-oxygenase, has been shown to have cytoprotective, anti-inflammatory, antioxidant, and anti-apoptotic effects. This gas binds to reduced Hb with high affinity forming carboxyhemoglobin (COHb), which is traditionally considered a marker of CO toxicity. However, recent studies have suggested that COHb may have a neuroprotective role by stabilizing Hb in its reduced state and preventing the formation of toxic heme byproducts. The goal of this study was to evaluate the potential protective effects of COHb against cell-free Hb toxicity by assessing its effects in microglia, neurons, and endothelial cells, focusing on neuroinflammation, cell viability, and BBB integrity. The results showed that while both COHb and MetHb induced oxidative stress, COHb led to significantly lower levels of reactive oxygen species (ROS) production and neuroinflammation in microglia compared to MetHb. However, COHb did not show a cytoprotective effect on neuronal viability compared to MetHb. In terms of BBB integrity, the results were inconclusive, suggesting the need for further investigation into COHb's protective mechanisms. Overall, these findings highlight the therapeutic potential of COHb in treating hemorrhagic stroke by mitigating the damaging effects of cell-free Hb. Nevertheless, additional research is necessary to better understand its neuroprotective and anti-neuroinflammatory mechanisms and its impact on preserving BBB integrity.

O Acidente Vascular Cerebral (AVC) é a principal causa de morte em Portugal e uma das principais causas de incapacidade neurológica permanente a nível mundial. Embora o AVC hemorrágico constitua apenas 15% de todos os casos de AVC, apresenta um maior risco de mortalidade ao desencadear processos biológicos nocivos, incluindo stress oxidativo, aumento da neuroinflamação, danos neuronais e disfunção da barreira hemato-encefálica (BHE). A hemoglobina (Hb) livre, libertada após a rutura dos eritrócitos, é facilmente oxidada em formas pró-oxidantes, como a metemoglobina (MetHb), que contribuem ainda mais para estes processos prejudiciais. A abordagem dos efeitos tóxicos da MetHb pró-oxidante representa uma potencial estratégia terapêutica para o AVC hemorrágico. O monóxido de carbono (CO), um gás produzido endogenamente pela enzima de resposta ao stress heme-oxigenase, demonstrou ter efeitos citoprotetores, anti-inflamatórios, antioxidantes e anti- apoptóticos. Este gás liga-se à Hb reduzida com elevada afinidade, formando carboxihemoglobina (COHb), que é tradicionalmente considerada um marcador de toxicidade do CO. No entanto, estudos recentes sugerem que a COHb pode desempenhar um papel neuroprotetor, estabilizando a Hb no seu estado reduzido e impedindo a formação de subprodutos tóxicos do heme. O objetivo deste trabalho foi avaliar os potenciais efeitos protetores da COHb contra a toxicidade da Hb livre, avaliando os seus efeitos na microglia, nos neurónios e nas células endoteliais, centrando-se na neuroinflamação, na viabilidade celular e na integridade da BHE. Os resultados mostraram que, embora tanto a COHb como a MetHb tenham induzido stress oxidativo, a COHb conduziu a níveis significativamente mais baixos na produção de espécies reativas de oxigénio (ROS) e de neuroinflamação na microglia, em comparação com a MetHb. No entanto, a COHb não mostrou um efeito citoprotetor na viabilidade neuronal em comparação com a MetHb. Em termos de integridade da BHE, os resultados foram inconclusivos, sugerindo a necessidade de mais investigação sobre os mecanismos de proteção da COHb. No geral, estes resultados realçam o potencial terapêutico da COHb no tratamento do AVC hemorrágico, atenuando os efeitos nocivos da Hb livre. No entanto, é necessária mais investigação para compreender melhor os seus mecanismos neuroprotetores e anti-neuroinflamatórios e o seu impacto na preservação da integridade da BHE.