Microbiota derived metabolites from dietary phenolics and their potential to mitigate neuroinflammation

Abstract

Resumo: As doenças neurodegenerativas são doenças crónicas com um aumento em incidência, que roubam qualidade de vida e implicam um grande peso aos pacientes, família e ao sistema nacional de saúde. Estas doenças permanecem sem cura, e terapias perdem eficácia com o tempo. Dentro das principais características das doenças neurodegenerativas, neuro inflamação toma uma posição preponderante e comum a várias doenças neurodegenerativas como a doença de Alzheimer, Parkinson, esclerose múltipla, Huntington, demência, e outras formas de doenças que afetem o cérebro. A falta de uma cura para estas doenças torna essencial a procura por terapias eficazes capazes de prevenir ou retardar a progressão da doença. Uma proposta interessante proveniente de estudos epidemiológicos e estudos de intervenção é o uso de dietas com um alto conteúdo de frutas e vegetais, especialmente ricos em (poli)fenóis e metabolitos fenólicos de baixo peso molecular (LMWPs). A capacidade de alguns LMWPs para modular vias inflamatórias e atenuar neuro inflamação em células de microglia levaram-nos a investigar o potencial e os mecanismos de ação destas moléculas, tornando mais perto o seu potencial uso para paciências com doenças neurodegenerativas A capacidade de alguns LMWPs para chegar ao cérebro foi descoberto, porem para a grande maioria dos LMWPs, esta é uma questão que não encontra resposta. Nesta tese, utilizamos modelos de previsão in silico para inferir a capacidade dos LMWPs para chegar ao cérebro por difusão passiva, sem ajuda de transportadores. Para testar esta capacidade dos LMWPs de atenuar a neuro inflamação foi implementado no laboratório um modelo de murganho de neuro inflamação induzido por lipopolisacáridos, avaliando assim vários aspetos cruciais como alterações de comportamento, libertação de citocinas no cérebro e alterações na microglia no cérebro. Mais de 60 LMWPs foram testados em microglia cells, avaliando e ordenando o seu potencial para modular a resposta da microglia e a inflamação. Foi selecionado o LMWPs de maior potencial para estudos mecanísticos, demonstrando as vias moduladas pelo composto e demonstrando a importância de uma via nos efeitos anti-inflamatórios. Depois 12 de cimentados os resultados nas alterações induzidas na microglia, o efeito deste LMWP foi validado num modelo de neuro inflamação em murganho, induzido por LPS. Finalmente, para avaliar a eficácia de uma dieta rica em LMWPs para atenuar a neuro inflamação e possivelmente servir como terapia para prevenir e modular a neuro inflamação no contexto das doenças neurodegenerativas, foi feito um estudo de intervenção em murganhos, utilizando uma dieta, durante 6 semanas, capaz de gerar LMWPs. Utilizando o modelo de neuro inflamação empregando LPS foi possível demonstrar a capacidade dos LMWPs para atenuar a neuro inflamação, demonstrando também a capacidade destes moléculas de chegar ao cérebro e atenuar as alterações de comportamento e na microglia no cérebro. Em conclusão, nós demonstramos com êxito que os LMWPs podem chegar ao cérebro e por difusão passiva. Nós demonstramos que os LMWPs são eficazes a modular a neuro inflamação e o mecanismo de ação anti-inflamatório do principal LMWP, validando estes resultados in vivo, utilizando este LMWP ou a uma dieta capaz de gerar estes LMWPs no cérebro. Em suma, este trabalho aumenta significativamente o nosso conhecimento da eficácia e do potencial dos LMWPs para travar a neuro inflamação, tornando claro que o próximo passo seja desenvolver estudos de intervenção futuros, em pacientes com doenças neurodegenerativas, numa luta e corrida constante contra o tempo para melhorar a qualidade de vida de quem mais precisa.

Abstract: Neurodegenerative diseases are chronic diseases with increasing incidence, that steal quality of life and imply a big burden to the patients, family, and the health system. These diseases remain cureless, and therapies lose effect over time. Amongst the hallmarks of neurodegenerative diseases, neuroinflammation is common across all neurodegenerative diseases like Alzheimer’s disease, Parkinson’s disease, Multiple sclerosis, Huntington's disease, and many other forms of brain-affected diseases and dementia. The lack of a cure for these diseases has led us to search for effective therapies to prevent or delay disease progression. An interesting prospect from epidemiological and intervention studies is the use of diets with a high content of fruits and vegetables, specifically rich in (poly)phenols and low molecular weight phenolic metabolites (LMWPs). The capability of some LMWPs to modulate inflammatory pathways and attenuate neuroinflammation in microglia cells has led us to investigate its potential and unknown mechanism of action, bringing us closer to its effective use for neurodegenerative disease patients. The capability of some LMWPs to reach the brain has been disclosed, yet for the large number of LMWPs, this question remains without answer. In this thesis, we employed in silico predictive tools to infer the LMWPs that could reach the brain by passive diffusion without the help of transporters. To test the capability of LMWPs to attenuate neuroinflammation we implemented a lipopolysaccharide-induced mice model of neuroinflammation in the host laboratory, evaluating the key aspects related to changes in mice behavior, cytokine release in the brain, and changes in microglia in the brain. More than 60 LMWPs were screened in microglia cells, evaluating and ranking their potential to modulate microglia response and inflammation. We selected one promising LMWP for mechanistic studies showing the pathways modulated and highlighting the role of one pathway in the anti-inflammatory potential of the selected LMWP. After cementing 10 the results on the changes induced in microglia, validation of this LMWP was performed on an LPS-induced mice model of neuroinflammation. Finally, to evaluate the effectiveness of a diet rich in the select LMWP to attenuate neuroinflammation and possibly be used as a therapy to prevent and modulate neuroinflammation in the context of neurodegenerative diseases we have performed an intervention study in mice, using a diet capable of generating LMWP for 6 weeks. Using this LPS-induced model of neuroinflammation we show the effectiveness of LMWPs, demonstrating their capability to reach the brain and attenuate behavior and microglia induced changes in the brain. In conclusion, we successfully demonstrated the LMWPs that may reach the brain by passive diffusion. We have shown that LMWPs are effective at modulating neuroinflammation and specifically the mechanism of anti-inflammatory action of the most promising LMWP, validating these results in vivo both using said LMWP or a diet capable of generating LMWP in the brain. Together, this work significantly increases our knowledge of the effectiveness and potential of LMWPs to tackle neuroinflammation, making clear the next crucial step should pass by developing future intervention studies in patients suffering from neurodegenerative diseases in this race against time to improve the quality of life to who needs the most.