The neuroprotective role of hamartin (TSC-1) in cerebral ischemia

Abstract

Introduction: Hamartin, an endogenous neuroprotective protein, was found to be involved in the tolerance of the CA3 hippocampal neurons of rats, which underwent global brain ischemia. The main mechanism that hamartin exerts its neuroprotective effect is through the induction of productive autophagy. We speculated that overexpression of hamartin in the right cerebral hemisphere of Wistar rats will offer the same neuroprotective effect after focal ischemia. Material and Method: Totally, 32 male and female Wistar rats underwent focal ischemia in their right hemisphere with the transient intraluminal filament MCA occlusion model. Among then, 8 rats had overexpressed hamartin after the stereotactic injection of an adenoviral vector coding the protein in their right hemisphere. Also, 8 rats were injected with PBS, 8 rats were injected with GFP and 8 rats did not have injection in their right cerebral hemisphere. Their performance in the cylinder test and the adhesive tape removal test was evaluated before and 48 hours after the ischemic stroke. Results: The hamartin rat group had 25% improved post stroke mortality rate, but this finding was not statistically significant. Furthermore, the TSC-1 rat group had significantly improved post stroke asymmetry score (19%) and mobility (45 steps) compared to the Control, PBS and GFP rat groups, which had asymmetry score and mobility (52% and 20.2 steps), (61% and 13.4 steps) and (51%and 16.6 steps) respectively. Finally, the TSC-1 rats recognized and removed the adhesive tape in their contralateral impaired forelimb in significantly less time with a mean of 49.3 and 170 sec respectively. Whereas, the Control, PBS and GFP rats recognized and remove the tape in 158.2 and 292.6, 181.4 and 290.3 and 194.2 and 291.4 sec respectively. Conclusions: Overexpression of hamartin offered significantly improved asymmetry scores, mobility and sensorimotor function in the injected rats 48 hours after focal MCA stroke. Further experiments are required to confirm our initial findings and evaluate if hamartin is a potential target for neuroprotective trials.

Εισαγωγή: Η hamartin (TSC-1) είναι μια ενδογενής νευροπροστατευτική πρωτεΐνη που βρέθηκε ότι συμμετέχει στην αντοχή των νευρώνων της περιοχής CA3 του ιππόκαμπου επιμύων, μετά από καθολική ισχαιμία του εγκεφάλου τους. Ο κύριος μηχανισμός της νευροπροστατευτικής δράσης της hamartin συντελείται μέσω προαγωγής της παραγωγικής αυτοφαγίας. Η βασική ερευνητική υπόθεση του παρόντος πειράματος είναι, αν η υπερέκφραση της hamartin στο δεξιό εγκεφαλικό ημισφαίριο επιμύων Wistar θα έχει την ίδια νευροπροστατευτική δράση μετά από εστιακή εγκεφαλική ισχαιμία. Υλικό και Μέθοδος: Συνολικά 32 αρσενικοί και θηλυκοί επίμυες Wistar υποβλήθηκαν σε εστιακή ισχαιμία του δεξιού ημισφαίριου τους, με το μοντέλο της παρωδικής απόφραξης της μέσης εγκεφαλικής αρτηρίας με ενδοαυλικό ράμμα. Μεταξύ αυτών, 8 επίμυες είχαν υπερεκφρασμένη την hamartin στο δεξιό τους ημισφαίριο, μετά από στερεοτακτική έγχυση με αδενοϊό που κωδικοποιεί την πρωτεΐνη αυτή. Επίσης, σε 8 επίμυες έγινε έγχυση PBS, σε 8 επίμυες έγινε έγχυση GFP και σε 8 επίμυες δεν πραγματοποιήθηκε έγχυση ουσίας στο δεξιό εγκεφαλικό ημισφαίριο. Η λειτουργική κατάσταση των επιμύων αξιολογήθηκε με συμπεριφορικές δοκιμασίες και πιο συγκεκριμένα με την δοκιμασία του κυλίνδρου και με την δοκιμασία αφαίρεσης κολλητικής ταινίας, πριν και 48 ώρες μετά το ισχαιμικό εγκεφαλικό επεισόδιο. Αποτελέσματα: Η ομάδα των επιμύων με υπερεκφρασμένη την πρωτεΐνη hamartin (TSC-1) παρουσίασε 25% βελτιωμένο ποσοστό θνησιμότητας μετά το εγκεφαλικό επεισόδιο, χωρίς το εύρημα αυτό να είναι στατιστικά σημαντικό. Η ίδια ομάδα επιμύων όμως, παρουσίασε σημαντικά βελτιωμένο ποσοστό ασυμμετρίας των πρόσθιων άκρων (19%) καθώς και σημαντικά αυξημένη κινητικότητα (45 βήματα) μετά το εγκεφαλικό επεισόδιο, σε σύγκριση με την ομάδα Μαρτύρων, PBS και GFP, οι οποίες είχαν αυξημένο ποσοστό ασυμμετρίας και μειωμένη κινητικότητα (52% και 20.2 βήματα), (61% και 13.4 βήματα) και (51% και 16.6 βήματα) αντιστοίχως. Τέλος, οι επίμυες της ομάδας TSC-1 αναγνώρισαν και αφαίρεσαν την κολλητική ταινία στο αριστερό παρετικό πρόσθιο άκρο τους σε σημαντικά λιγότερο χρόνο και με μέσο όρο 49,3 και 170 δευτερόλεπτα αντιστοίχως. Αντίθετα, οι επίμυες της ομάδας Μαρτύρων, PBS και GFP αναγνώρισαν και αφαιρούσαν την ταινία σε 158,2 και 292,6, 181,4 και 290,3 και σε 194,2 και 291,4 δευτερόλεπτα αντιστοίχως. Συμπεράσματα: Η υπερέκφραση της πρωτεΐνης hamartin στο δεξιό εγκεφαλικό ημισφαίριο επιμύων, είχε ως αποτέλεσμα το σημαντικά βελτιωμένο ποσοστό ασυμμετρίας, καθώς και βελτιωμένη την κινητικότητα και αισθητικοκινητική λειτουργία 48 ώρες μετά από εστιακό εγκεφαλικό επεισόδιο στην κατανομή της μέσης εγκεφαλικής αρτηρίας. Κρίνεται απαραίτητη η διεξαγωγή περεταίρω πειραμάτων ώστε να επιβεβαιωθούν τα αρχικά μας ευρήματα, καθώς και για να αξιολογηθεί εάν η hamartin αποτελεί πιθανή φαρμακευτική ουσία για μελλοντικές νευροπροστατευτικές κλινικές δοκιμές.