Rat models of Parkinson's disease: insights into the treatment of refractory symptoms

Abstract

Parkinson’s disease (PD) was during decades considered a pure motor disorder due to wellknown cardinal symptoms such as tremor, slowness of movement and rigidity. However, most of the motor symptoms are nowadays satisfactorily addressed by existent treatments. Consequently, symptoms less responsive to drug treatment or deep brain stimulation (DBS) assume a greater impact on patients’ quality of life and disability. These refractory symptoms include several non-motor symptoms such as cognitive and mood alterations, and certain motor symptoms, namely gait disturbances and postural instability. Despite the growing recognition of non-motor symptoms’ relevance in PD, the use of PD animal models to reproduce these symptoms is still underexplored. Therefore, in the first part of the present thesis, a comparative behavioral characterization of three different animal models of PD was performed. For that purpose, emotional, cognitive and motor functions were assessed in rats exposed to 6-hydroxydopamine (6-OHDA), paraquat (PQ) or α-synuclein (α- syn) overexpression. We observed that 6-OHDA bilateral injections induced the already described motor impairments, but also cognitive and emotional problems namely anxious and depressive-like behaviors. The exposure to PQ also produced the classical motor deficits but accompanied by negative mood changes on both anxiety and depressive-state. Finally, the α-syn model only presented motor and exploratory activity impairments displaying no detectable changes in emotional or cognitive features. Besides non-motor symptoms, gait problems are also resistant to available therapies and are thus an undertreated symptom. Recent studies have suggested that the pedunculopontine nucleus (PPN) might be linked to gait initiation and maintenance. In this context, DBS of the PPN has been recently introduced as an alternative therapy for PD patients with severe axial signs. However, the role of PPN DBS in treating PD was still largely unexplored and required further investigation. Therefore, in the second part of this thesis, we intended to evaluate whether stimulation of rostral or caudal PPN triggered distinctive effects on gait and anxiouslike state in a rat model of PD, and whether these effects are modulated by PPN-subthalamic nucleus (PPN-STN) connectivity. To achieve these objectives, a 6-OHDA model was used to determine the effects of PPN DBS. We detected significant gait improvements produced by PPN DBS with electrode implantation in the caudal region whereas the same positive effects were not observed if the electrode was located in the rostral part. Furthermore, anxiety-like behavior was not affected by PPN stimulation. Regarding the PPN-STN connectivity, as PPN stimulation did not induce c-Fos expression in the STN, it appears that this connection is not involved in the modulation of PPN DBS effects on gait. In summary, the comparative behavioral study contributed to further disclose the ability of PD models to mimic a larger variety of PD symptoms depending on the nature of lesion. Additionally, the present work provides new insights concerning the optimal target location for PPN DBS. Overall, this study contributed to a deeper knowledge of the particularities of the available models to study PD that can ultimately be valuable to address the potential of new therapeutic approaches.

A doença de Parkinson (PD) foi durante décadas considerada uma doença puramente motora devido aos bem conhecidos sintomas cardinais, tais como tremor, bradicinesia e rigidez. No entanto, grande parte destes sintomas motores são atualmente tratados de forma satisfatória pelos tratamentos existentes. Portanto, os sintomas com menor resposta ao tratamento farmacológico ou à estimulação cerebral profunda (DBS) assumem um grande impacto na qualidade de vida e incapacidade dos doentes. Estes sintomas refratários incluem sintomas não-motores, como alterações cognitivas e de humor, e certos sintomas motores, nomeadamente distúrbios da marcha e instabilidade postural. Apesar do crescente reconhecimento da relevância dos sintomas não-motores na PD, o uso de modelos animais da PD para reproduzir estes sintomas tem sido pouco explorado. Assim, na primeira parte desta tese foi realizada uma caracterização comportamental comparativa de três modelos animais da PD. Para esse efeito, funções emocionais, cognitivas e motoras foram avaliadas em ratos expostos a 6-hidroxidopamina (6-OHDA), paraquato (PQ) ou sobreexpressão de α-sinucleína (α-syn). Observou-se que injeções bilaterais de 6-OHDA induzem as deficiências motoras já conhecidas, mas também problemas cognitivos e emocionais, nomeadamente comportamentos ansioso e depressivo. A exposição ao PQ também produziu os clássicos défices motores, mas acompanhados por alterações negativas de humor em ambos os estados ansioso e depressivo. Por fim, o modelo da α-syn apenas apresentou deterioração motora e da atividade exploratória, não exibindo alterações detectáveis em parâmetros emocionais ou cognitivos. Além dos sintomas não-motores, os problemas relacionados com a marcha são normalmente refratários às terapias utilizadas na prática clínica. Estudos recentes têm sugerido que o núcleo pedunculopontino (PPN) pode ter um papel na iniciação e manutenção da marcha. Neste contexto, a DBS do PPN foi recentemente introduzida como uma alternativa terapêutica para pacientes com PD com sintomas axiais graves. No entanto, o papel da DBS no PPN para o tratamento da PD ainda é questionável e requer mais estudos. Assim, na segunda parte desta tese, pretendeu-se avaliar se a estimulação do PPN rostral ou caudal desencadeia efeitos distintos sobre a marcha ou estado de ansiedade num modelo de rato da PD, e se esses efeitos são modulados pela conectividade PPN-núcleo subtalâmico (PPN-STN). Para atingir estes objectivos, um modelo de 6-OHDA foi utilizado para determinar os efeitos da DBS do PPN. Foram detectadas melhoras significativas na marcha produzidas pela DBS do PPN caudal, no entanto estes efeitos não foram observados com a estimulação do PPN rostral. Além disso, os níveis de ansiedade não foram afectados pela estimulação do PPN. Considerando a conectividade PPN-STN, uma vez que a estimulação do PPN não induziu a expressão de c-Fos no STN, parece que esta conexão não está envolvida na modulação dos efeitos da estimulação do PPN na marcha. Portanto, o estudo comparativo comportamental contribuiu para revelar a capacidade que os modelos animais de PD possuem de reproduzir uma maior variedade de sintomas da doença, dependendo da natureza da lesão. Além disso, o presente trabalho fornece novas pistas sobre o alvo ideal para a DBS do PPN. Em geral, este estudo contribuiu para aprofundar o conhecimento das particularidades dos modelos disponíveis para estudar a PD, sendo uma mais valia para testar o potencial de novas abordagens terapêuticas.