Cholesterol metabolism and its relation to the brain?s acetylcholinesterase homeostasis: a preclinical study

Abstract

Introdução: Alterações no metabolismo do colesterol no encéfalo têm um papel significativo na fisiopatologia da doença de Alzheimer (DA). Estudos anteriores demonstraram que camundongos suíços alimentados com uma dieta rica em colesterol apresentaram comprometimento da memória espacial de curto prazo, e foi interessantemente correlacionado com um aumento na atividade catalítica da acetilcolinesterase (AChE) no córtex pré-frontal e hipocampo. Embora o colesterol não consiga atravessar a barreira hematoencefálica (BHE), seu metabólito oxidado, o 27- hidroxicolesterol (27-OH) - o oxisterol mais abundante no plasma - pode atravessar livremente a BHE e tem sido observado que suas altas concentrações medeiam a disfunção diversos sistemas encefálicos, promovendo, entre outras coisas, declínio cognitivo e neurodegeneração. No entanto, a relação entre altos níveis de 27-OH e AChE permanece desconhecida. Objetivos e métodos: Portanto, os procedimentos experimentais neste estudo visaram elucidar o envolvimento da 27-OH na homeostase da AChE, particularmente sua expressão gênica, densidade proteica e atividade catalítica em neurônios cultivados, bem como em células neurais de camundongos que superexpressam o gene CYP27A1 e, finalmente, testar a hipótese de que, se o colesterol plasmático aumenta a atividade da AChE nas células do hipocampo de camundongos alimentados com dieta hiperlipídica (HFD), então a associação de um medicamento hipolipemiante (ou seja, sinvastatina) com um medicamento inibidor da atividade da AChE (ou seja, donepezil) resultaria em uma melhor resposta em vários parâmetros. Resultados: Observamos que o tratamento com 27-OH aumenta a densidade proteica da AChE em neurônios hipocampais, bem como sua atividade catalítica em neurônios córticohipocampais; Camundongos que superexpressam o gene CYP27A1 apresentaram alterações constitutivas na expressão gênica e densidade proteica de AChE no cérebro. Ainda, camundongos alimentados com HFD apresentaram aumento do peso corporal, proteínas totais e níveis elevados de colesterol plasmático. Também observamos que o tratamento concomitante de sinvastatina e donepezil resultou em uma diminuição da atividade catalítica da AChE no hipocampo de animais alimentados com uma dieta hiperlipídica que acabou culminando em um melhor desempenho em uma avaliação de memória espacial de curto prazo.Conclusões: No geral, os presentes achados sugerem que a 27-OH é um modulador da homeostase da AChE no encéfalo, e propomos que o tratamento com a associação de sinvastatina e donepezil pode ser uma abordagem interessante no manejo do comprometimento cognitivo na DA.

Abstract: Introduction: Alterations in cholesterol metabolism within the brain have a significant role in Alzheimer's disease (AD) pathophysiology. Previous studies demonstrated that Swiss mice fed a high cholesterol diet displayed short-term spatial memory impairment, and it was interestingly correlated with an increase in the acetylcholinesterase (AChE) catalytic activity in the prefrontal cortex and hippocampus brain areas. Even though cholesterol cannot transpass the blood-brain barrier (BBB), its oxidized metabolite, 27-hydroxycholesterol (27-OH), the most abundant oxysterol in plasma, can freely cross the BBB and it has been observed that its high concentrations mediate the disruption of several systems within the brain, promoting, among other things, cognitive decline and neurodegeneration. However, the relation between high levels of 27-OH and AChE remains unknown. Aims and methods: Therefore, the experimental procedures in this study aimed at elucidating the involvement of 27-OH on the homeostasis of AChE, particularly its gene expression, protein density, and catalytic activity in cultured neurons as well as in neural cells of CYP27A1 overexpressing mice and, finally, to test the hypothesis that if plasma cholesterol increases the AChE activity in the hippocampal cells of high-fat diet (HFD) fed mice, then the association of a lipid-lowering drug (i.e., simvastatin) with an AChEI drug (i.e., donepezil) would result in a better outcome in several factors. Results: We observed that the treatment with 27-OH increases AChE?s protein density in hippocampal neurons as well as its catalytic activity in corticohippocampal neurons; CYP27A1 overexpressing mice showed constitutive alterations in gene expression and protein density of AChE in the brain. Moreover, mice fed a HFD presented body weight gain, as well as an increase in plasma total protein levels and plasma cholesterol concentrations. Furthermore, we observed that the concomitant treatment of simvastatin and donepezil resulted in a decrease of AChE?s catalytic activity in the hippocampal cells of the HFD-fed mice which ended up resulting in a better performance in a short-term spacial memory task. Conclusions: Overall, the present findings suggest that 27-OH is a modulator of the AChE homeostasis within the brain, and we propose that the treatment with the association of simvastatin and donepezil might be an interesting approach in the treatment management of cognitive impairment in AD.