Systemic alterations and brain changes in physiology and pathology : the Octodon degus as a model of aging and multimorbidity

Abstract

El principal objetivo de esta tesis fue caracterizar al O. degus como modelo natural de envejecimiento explorando los cambios sistémicos y cerebrales, y su interacción, considerando diferencias de sexo. Los estudios se realizaron en 110 animales de edades comprendidas entre 6 meses-7 años, divididos según edad, sexo o tratamientos. Esta tesis combina análisis in vivo con evaluación cerebral post mortem de diferentes parámetros, cuyos resultados se presentan en 5 bloques: 1º) Determinación de los valores específicos por sexo del perfil bioquímico en sangre del O. degus en envejecimiento. La mayoría de los parámetros estaban significativamente alterados en los animales envejecidos, con diferencias de sexo en la mayoría de ellos. Los animales envejecidos mostraron disfunción hepática, renal y pancreática. Los niveles de oxidación e inflamación aumentaron significativamente en los animales viejos en comparación con los jóvenes. Las mayores diferencias entre sexos corresponden a una mayor oxidación en machos que en hembras. 2º) Estudio de la función cardiaca in vivo mediante electrocardiografía. Las mayores diferencias asociadas al sexo fueron una mayor incidencia de arritmias y una mayor desviación del eje eléctrico en machos que en hembras. La frecuencia cardiaca disminuyó significativamente en edades más avanzadas, viéndose más afectados los machos que las hembras. La duración de QRS aumentó significativamente en hembras a lo largo del envejecimiento, pero no en machos. La duración de QT de hembras juveniles fue significativamente menor que la de machos, aunque en la edad senil esta situación se invirtió. 3º) Análisis del deterioro cognitivo y su posible relación con el estado neuroinflamatorio en el hipocampo dorsal. El deterioro cognitivo fue significatimente superior en los O. degus envejecidos que en jóvenes. Se investigaron diferencias asociadas al sexo: durante el entrenamiento, las hembras envejecidas mostraron un mejor rendimiento que los machos envejecidos, al contrario que el día del test. La neuroinflamación en el hipocampo dorsal aumentó significativamente en los animales de más edad, con niveles más altos en machos que en hembras. El aumento de la neuroinflamación está significativamente correlacionado con un peor rendimiento cognitivo. 4º) Análisis de la composición lipídica del cerebro del O. degus a lo largo del envejecimiento en la corteza prefrontal (CPF), el estriado, la corteza y el cerebelo. Los cambios en las especies lipídicas fueron específicos de cada región, aunque las alteraciones en los glicoesfingolípidos fueron comunes a todas las regiones. Las mayores diferencias de sexo se encontraron en los gangliósidos. La peroxidación lipídica (POL) en CPF aumentó a lo largo del envejecimiento, mostrando los machos niveles significativamente más altos que las hembras. Una mayor POL se correlacionó significativamente con mayor deterioro cognitivo. 5º) Validación del modelo de parkinsonismo experimental basado en la intoxicación con 1-metil-4-fenil-1,2,3,6-tetrahidro-piridina (MPTP) en el O. degus. Los animales intoxicados con MPTP mostraron niveles plasmáticos de glucosa alterados, alteraciones motoras y cognitivas. En animales parkinsonizados, el número de neuronas positivas para tirosina hidroxilasa se redujo significativemente en la Substantia Nigra pars compacta (SNpc), en el área tegmental ventral (VTA) y en el locus coeruleus (LC). Asimismo, la neuroinflamación aumentó significativamente en SNpc, estriado, hipocampo dorsal y LC de los animales parkinsonizados. En conclusión, esta investigación representa una contribución razonable a la comunidad científica en diferentes aspectos. Por un lado, nunca antes se había realizado un estudio longitudinal de estas dimensones considerando ambos sexos en el O. degus. Estos estudios, validan diferentes procedimientos y protocolos experimentales en esta especie. Por otro lado, los resultados obtenidos apoyan que esta especie es una herramienta única para la investigación del envejecimiento en el contexto de la multimorbilidad con perspectiva de sexo, presentando similitudes con los humanos que no están presentes en otros modelos preclínicos.

The main objective of this thesis was to characterize the O. degus as a natural model of aging by exploring systemic and brain changes, as well as their interaction, including sex as an experimental variable. Studies were performed on a total of 110 animals aged from 6 months old to 7 years old, which were divided according to age, sex or treatments. The data presented in this thesis are the result of combining in vivo analyses with the brain post mortem evaluation. Results are presented in 5 blocks: 1st) Determination of the sex-specific values of the biochemical profile in the blood of O. degus along aging. Most parameters were significantly altered in aged animals, with sex differences in most of them. Aged animals showed hepatic, renal and pancreatic dysfunction. Plasma oxidation and inflammation levels were significantly increased in older animals compared to younger animals. The biggest sex differences were related to oxidative status, suggesting higher oxidation in males versus females. 2nd) Study of in vivo cardiac function by electrocardiography. The highest sex-associated differences the higher incidence of arrhythmias and greater deviation of the electrical axis in males than in females. HR decreased significantly at older ages, with males being more affected than females. QRS complex duration was significantly increased in females along aging, but not in males. The QT interval duration of younger females was significantly shorter than that of males, while in the senile stage this situation was reversed. 3rd) Analysis of the age-related cognitive impairment and its possible relationship with the neuroinflammatory status in the dorsal hippocampus. Aged O. degus showed a significant cognitive decline compared to young animals. Sex-associated differences were also investigated: during the training sessions, the aged females showed a better performance than the aged males, opposite to the retrieval day. Neuroinflammation in the dorsal hippocampous was significantly increased in older animals, with higher levels in males compared to females. Correlation analyses indicated that increased neuroinflammation is related to worse cognitive performance. 4th) Analysis of the lipid composition of O. degus along aging in the prefrontal cortex (PFC), striatum, cortex and cerebellum. Changes in lipid species were region-specific, although alterations in glycosphingolipids were common to all regions. The greatest sex-associated differences were found in gangliosides, while sphingomyelin and sulfatides were significantly different when comparing males and females of senile age. Lipid peroxidation (LPO) in the PFC was significantly increased along aging, males showing significant higher levels of LPO than females. Higher POL significantly correlated with worse cognitive performance. 5th) Validation of the O. degus as a model of experimental Parkinsonism based on 1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydro-pyridine (MPTP) intoxication. MPTP intoxicated animals showed dysregulation of blood glucose levels, together with motor and cognitive alterations. Post mortem analysis revealed a very significant loss of tyrosine hydroxylase-positive neurons in the Substantia Nigra pars compacta (SNpc), in the ventral tegmental area (VTA) and in the locus coeruleus (LC) of MPTP-intoxicated animals. A significant increase in neuroinflammatory markers in the SNpc, striatum, dorsal hippocampus and LC of parkinsonized animals was found. To conclude, this research represents a reasonable contribution to the scientific community in different aspects. On the one hand, a longitudinal study of these dimensons considering both sexes in the O. degus had never been done before. It validates different experimental procedures and protocols in this species. On the other hand, findings obtained support that this species is a unique tool for aging research in the context of multimorbidity, possesing similarities with humans that are not present in other preclinical models. The sex-related differences found offer the possibility of approaching different scientific questions from the sex perspective.