The interplay between vascular and mitochondrial abnormalities in type 2 diabetes and ...

243 Pages·2013·4.6 MB·English

The interplay between vascular and mitochondrial abnormalities in
type 2 diabetes and Alzheimer’s disease

Cristina Isabel Marques Maurício de Carvalho
2013

Dissertação apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia
da Universidade de Coimbra para prestação de provas
de Doutoramento em Biologia na especialidade Biologia Celular

Orientação
Paula Isabel da Silva Moreira, PhD

Laboratory of Physiology - Faculty of Medicine, University of Coimbra
Center for Neuroscience and Cell Biology, University of Coimbra

Co-orientação

Maria Sancha Santos, PhD
Department of Life Sciences - Faculty of Sciences and Technology, University of Coimbra
Center for Neuroscience and Cell Biology, University of Coimbra
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Acknowledgements
A vida é uma guerra repleta de batalhas que devemos travar para alcançar os nossos sonhos sem
esquecer de agradecer as vitórias alcançadas. No entanto, qual de nós conseguiria ganhar sem ajuda dos que
nos rodeiam? Sem alguém que esteja lá para nos dar a mão nos percalços que surgem constantemente? Do
mesmo modo esta tese foi uma batalha que só consegui ganhar e chegar ao fim com a ajuda de várias
pessoas que direta ou indiretamente tiveram um papel essencial no decorrer deste trabalho.
Gostaria de agradecer à Dr.ª Paula Moreira por todas as oportunidades e desafios que me
proporcionou ao longo destes anos, por ter apostado em mim e permitido que chegasse a este momento.
Grande parte do sucesso que poderei alcançar a ela devo por acreditar em mim.
Queria aqui também agradecer à Dr.ª Maria Sancha Santos por todo o apoio que me deu, por estar
sempre disponível para ajudar tanto em trabalho de laboratório como para partilhar todo o seu
conhecimento científico.
Um agradecimento muito especial também aos meus colegas, vocês sabem quem são, que estiveram
sempre lá para me apoiar quer física quer psicologicamente e sem os quais teria sido impossível ultrapassar
as barreiras que foram surgindo ao longo deste trabalho bem como a realização de algumas partes
essenciais do mesmo.
Queria agradecer também à Professora Doutora Raquel Seiça pelo fornecimento dos animais Goto-
Kakizaki utilizados nesta dissertação.
I also would like to thank to Dr. David Busija from Tulane University for receive me and support me
during my stay on is lab. Thank you for encouraging my work since the day of my arrival to New Orleans and
for the discussion of the work guiding me to the best direction to finish on time.
I am also very grateful to the lab colleagues of Pharmacology department of Tulane University School
of medicine for all their support during my stay. A very special THANK YOU to Dr. Paige Katz and Somhrita
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III
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Dutta (and their families) for all the friendship, kindness and support in all the moments, you know that
without you I was not able to go further at some point. I will never forget you and the good moments we
spend together! You will always be a part of my family leaving in New Orleans!
Um agradecimento também à Fundação para a Ciência e Tecnologia e aos fundos FEDER através do
Programa Operacional Factores de Competitividade – COMPETE, pelo financiamento do meu trabalho
através da bolsa individual de doutoramento (SFRH/BD/43965/2008) e dos projetos PTDC/SAU-
NEU/103325/2008 e PEst-C/SAU/LA0001/2013-2014.
Por fim, um agradecimento muito especial a todos os meus amigos, que sabem quem são pois
conhecem-me tão bem que não são precisas palavras para o dizer (amigos como vocês há poucos e fazem-
me sentir muito felizarda por vos ter), e à minha família, especialmente os meus pais José Carvalho e Isabel
Maurício, ao meu marido João Abel, ao meu irmão José António e cunhada Sónia Carvalho, por todo o apoio
deles, por ouvirem os meus desabafos, por não me deixarem desistir quando os obstáculos pareciam
maiores que as minhas forças, por acreditarem em mim muitas vezes mais que eu própria, mas acima de
tudo, por estarem SEMPRE lá para mim!

A todos, OBRIGADO/ THANK YOU…

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IV
Abbreviations

I- Abbreviations

 (AP)-1 – Activator protein
 3xTg-AD – Triple transgenic mice for Alzheimer’s Disease
 Acetyl-CoA- Acetyl coenzyme A
 AD - Alzheimer’s Disease
 ADMA – Asymmetric dimethylarginine
 ADP - adenosine diphosphate
 AGEs – advanced glycation end products
 AMPK – 5' AMP-activated protein kinase
 ANG II- Angiotensin II
 ANP – Atrial natriuretic peptide
 APAF-1 – Apoptotic protease activating factor 1
 APH-1A – Anterior pharynx defective 1 homolog A
 APOEɛ4 - Apolipoprotein ɛ4 allele
 APP – Amyloid precursor protein
 Atg4 – Autophagy-related protein 4
 ATP - adenosine triphosphate
 Aβ - Beta amyloid protein
 BACE – β-site APP cleavage enzyme
 Bad – Bcl-2-associated death promoter
 Bax – Bcl-2–associated X protein
 BBB- Blood brain barrier
 BNIP3- Bcl2/adenovirus E1B 19kD-interacting protein-3
 BOLD – blood oxygenation level dependent
 BSA - bovine serum albumin
 C99 – 12 kDa C-terminal fragment of APP
 Ca2+ - calcium cation
 CAA – Cerebral amyloid angiopathy
 CBC – Complete blood count
 CBF- Cerebral blood flow
 CCCP - carbonylcyanide m-chlorophenylhydrazone
 Chol- Cholestrol
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V
Abbreviations

 CK – Creatinine kinase
 CNS- Central nervous system
 CRP - C-reactive protein
 CsA - cyclosporin A
 CSF- Cerebrospinal fluid
 CuZnSOD – Cuper/Zinc superoxide dismutase
 DAB – 3,30-diaminobenzidine
 DAG - diacylglycerol
 db/db – Homozygous Leprdb mice
 DEC-1 – defective chorion-1
 DMEM - Dulbecco’s modified Eagle medium
 DMSO – dimethyl sulfoxide
 DNA - desoxyribonucleic acid
 DOC – Sodium deoxycholate
 DTNB - 5,5'-ditiobis(2-nitrobenzoic acid)
 DTT – Dithiothreitol
 ECF- Enhanced chemifluorescence
 ELISA – Enzyme-Linked Immunosorbent Assay
 eNOS - endothelial nitric oxide synthase
 EPO- Erythropoietin
 ER – Endoplasmatic reticulum
 ERK – Extracellular signal-regulated kinases
 ET-1 - vasoconstrictor endothelin-1
 Fe2+ - Iron cation
 GD – Gestational diabetes
 GFAT - glutamine:fructose-6-phosphate amidotransferase
 GK - Goto-Kakizaki
 Glut-1- Glucose transporter 1
 GPx - glutathione peroxidase
 GR - glutathione reductase
 GSH - glutathione
 GSK-3- glycogen synthase kinase-3
 GSSG – glutathione dissulfide

VIII
Abbreviations

 H O - hydrogen peroxide
2 2
 Hb1Ac – Glycated hemoglobin
 HCT – Hematocrit
 HDL – High- density lipoprotein
 Het- Heterozygous DOCK7m/Leprdb
 HG- High glucose
 HGB – Hemoglobin
 HIF-1α – Hypoxia-inducible factor 1 alpha
 HO• - hydroxyl radical
 HPLC – High-performance liquid chromatography
 HRP – Horseradish peroxidase
 ICAM – Intercellular Adhesion Molecule
 icv- intracerebroventricular
 IDE- Insulin degrading enzyme
 IGF-1 – Insulin growth factor 1
 IIS- Insulin/insulin-like growth factor signaling pathway
 IL - interleukin
 iNOS – Inducible nitric oxide synthase
 IR- Insulin Receptor
 IRS-1- Insulin Receptor substrate 1
 IU – International Units
 Keap1 – Kelch-like ECH-associated protein 1
 LG – Low glucose
 MAPK – Mitogen-activated protein kinases
 MBMEC – Mice brain microvascular endothelial cells
 MCI – Mild cognitive impairment
 MCP-1 - monocyte chemoattractant protein-1
 MDA - malondialdehyde
 MnSOD - manganese superoxide dismutase
 Mo – Monocytes
 MRI – magnetic resonance imaging
 mtDNA- Mitochondrial DNA
 MTOR- mechanistic target of rapamycin
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VII
Abbreviations

 N – Nitrogen
2
 NADH - reduced nicotinamide adenine dinucleotide
 NADPH - reduced nicotinamide adenine dinucleotide phosphate
 NF-kB – nuclear factor kB
 NFTs - Neurofibrillary tangles
 NIX – Nip3-like protein X
 NMDA – N-Methyl-D-aspartate
 NO - nitric oxide
 NR2B – NMDA receptor subtype 2B
 Nrf2 – Nuclear factor (erythroid-derived 2)-like 2
 O – Molecular oxygen
2
 O -•- superoxide anion radical
2
 ONOO- - Peroxynitrite
 OPT - ophthalaldehyde
 OsO – Tetroxide osmium
4
 OXPHOS – Oxidative phosphorylation system
 PBS - phosphate buffered saline
 Peg- Polyethylene Glycol
 PGI – prostacyclin
2
 PHD – Prolyl hydroxylase domain
 Pi- Inorganic phosphate
 PI3K- phosphatidylinositol 3-kinase
 PKB- Protein kinase B
 PKC - protein kinase C
 PMSF – Phenylmethanesulfonyl Fluoride
 PPAR - peroxisome proliferator-activated receptor gamma
γ
 PrPc – Cellular prion protein
 PS – Presenilins
 PTP - permeability transition pore
 PVDF – Polyvinylidene difluoride
 RAAS- Renin-angiotensin-aldosterone system
 RAGE – AGEs receptor
 RBC – Red Blood Cells

VIII
Abbreviations

 RBMEC – Rat brain microvascular endothelial cells
 RCR – respiratory control ratio
 RDW – Red Cell Distribution Width
 RHD123- Rhodamine 123
 RNS – Reactive nitrogen species
 ROS - reactive oxygen species
 SD – Sprague Dawley
 SOD - superoxide dismutase
 SPECT – single photon excitation computed tomography
 STZ- Streptozotocin
 T1D- Type 1 diabetes
 T2D- Type 2 diabetes
 TBA - thiobarbituric acid
 TBS – Tris-buffered saline
 TBS-T – Tris-buffered saline 0.1% tween
 TCA - tricarboxylic acid
 TG – triglycerides
 TGF-α – Transforming growth factor-α
 TMB - 3,3', 5,5'-tetrametilbenzidina
 TMPD – N, N, N′, N′-tetrametyl-p-phenylenodiamine
 TNF-α - tumor necrosis factor-α
 TPP+ - tetraphenylphosphonium ion
 UDP - uridine diphosphate
 v - mitochondrial volume
 V - volume of incubation medium
 VCAM – Vascular cell adhesion protein
 VEGF- Vascular endothelial growth factor
 W - Wistar
 WHO - World Health Organization
 WT- Wild- Type mice
 ΔE – Deflection of the electrode potential from the base line
 Δψ –Mitochondrial transmembrane potential
m

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IX