Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10077/11017
Title: Neurotrophic factors and other humoral mediators in chronic stress
Other Titles: Fattori neurotrofici e altri mediatori umorali nello stress cronico
Neurotrophic factors and other humoral mediators in chronic stress
Authors: Polacchini, Alessio
Supervisore/Tutore: Tongiorgi, Enrico
Issue Date: 17-Apr-2015
Publisher: Università degli studi di Trieste
Abstract: Lo stress è stato definito come "una risposta specifica del corpo a qualsiasi richiesta non specifica (stressor) su di esso". Quando lo stress, reale o percepito, è duraturo o la risposta non è appropriata (distress), i cambiamenti fisiologici di breve termine lasciano spazio ad alterazioni di lungo termine che possono causare condizioni patologiche, tra cui malattie mentali. Secondo questo modello di "carico allostatico", i mediatori primari come le catecolamine e gli ormoni steroidei, innescano alterazioni multi-sistemiche su mediatori secondari che portano a manifestazioni negative in diversi sistemi corporei, inclusi quello nervoso e immunitario. Neurotrofine, in particolare il Brain-Derived Neurotrophic Factor (BDNF), e mediatori del sistema immunitario, come citochine e chemochine, sono possibili modulatori della risposta allo stress cronico. Pertanto, ci siamo posti l’obiettivo di valutare i loro livelli circolanti in soggetti sani in condizioni di stress lavoro-correlato. Prima di ciò, poiché la misurazione del BDNF circolante è di grande interesse per la sfera psichiatrica, ma soffre per inconsistenze probabilmente a causa della mancanza di procedure standard di selezione e valutazione, abbiamo cercato di superare queste limitazioni definendo una metodologia standardizzata sia per la raccolta dei campioni che per la misurazione di BDNF. Per fare ciò, abbiamo selezioniamo il siero come fluido elettivo per la quantificazione di BDNF e, utilizzando sieri di 40 soggetti adulti sani, abbiamo confrontato le prestazioni di sei kit di ELISA commerciali specifici per BDNF. Tutti i kit hanno mostrato la capacità di misurare il BDNF nel 100% dei campioni e, con una sola eccezione, range paragonabili. Tuttavia, essi hanno mostrato variazioni inter-assay molto diverse, dal 5% al 38%. Tali variazioni, erano superiori a quelle dichiarate dai produttori fatta eccezione per un kit, che nel complesso ha mostrato le prestazioni migliori. In aggiunta, l’analisi Dot-blot ha rivelato che due kit hanno riconosciuto selettivamente la forma matura di BDNF, mentre gli altri hanno reagito anche con il suo precursore, il pro-BDNF. Occorre notare che, avendo definito una procedura standardizzata che riduce l'elevata variabilità dovuta ai differenti passaggi tecnici nelle fasi pre-analitiche e analitiche, questo studio fornisce la base per ottenere una misura affidabile del BDNF nel siero umano, adatto per potenziali applicazioni cliniche future. Come accennato, il passo successivo è stato quello di valutare il BDNF e i mediatori immunitari circolanti in soggetti con stress lavoro correlato. Abbiamo quindi misurato il BDNF e, utilizzando la tecnologia ELISA multiplex, altri 48 analiti tra citochine, chemochine e fattori di crescita nel siero di 122 soggetti sani (87 femmine e 35 maschi). I partecipanti sono stati arruolati tra assistenti sanitari e valutati per lo stress lavoro-correlato con scale stress psicofisico e burnout estratte da un questionario di auto-valutazione standardizzato per il contesto italiano (test Qu-BO). Lo stress psicofisico è stato valutato con cinque elementi, vale a dire ansia, disturbi emotivi, gastrointestinali, cardiaci e disfunzioni ergonomiche sul posto di lavoro più uno stato generale di stress stimato come la media delle cinque dimensioni; il burnout è stato misurato con tre elementi adattati dal Maslach Burnout Inventory, nello specifico esaurimento emotivo, depersonalizzazione e realizzazione personale. Alti punteggi di score sono associati a situazioni di stress cronico elevato, ad eccezione della scala di realizzazione personale. Abbiamo individuato che le donne avevano punteggi più elevati rispetto agli uomini per tutti gli elementi di stress psicofisico e per lo stato di esaurimento emotivo. Oltre a ciò, dopo aver corretto per sesso e indice di massa corporea (IMC), abbiamo cercato di correlare le variabili biologiche con i punteggi delle diverse scale di stress, utilizzando una combinazione di analisi univariate (correlazioni parziali) e multivariate (analisi dei minimi quadrati e fattoriale), per tener conto delle correlazioni tra analiti. Come risultato, non abbiamo trovato alcuna associazione tra le variabili biologiche e lo stato di burnout, mentre, d'altra parte, abbiamo rilevato associazioni negative tra elementi dello stress psicofisico e alcuni marcatori del pattern di chemochine. In particolare, abbiamo osservato che i livelli di MCP-1/CCL2, CTACK/CCL27, RANTES/CCL5 e Eotassina/CCL11 correlano negativamente con diverse scale di stress psicofisico quali ansia, problemi gastrici e cardiaci e disfunzioni ergonomiche sul posto di lavoro. Inoltre, abbiamo osservato che IL-17, una citochina caratteristica del sottotipo T-helper 17 (Th17) e associata a danni a diversi tessuti, incluso quello intestinale, correla positivamente con alti punteggi in soggetti che accusano problemi gastrici (r=0.280, p=0,010). Curiosamente, abbiamo rilevato anche una relazione positiva tra BDNF e il punteggio di disfunzione ergonomica sul posto di lavoro (r=0.284, p=0,009), potenzialmente a causa di meccanismi di compensazione protettivi. Nel loro insieme, i nostri risultati supportano l'ipotesi che lo stress cronico induce una generale soppressione sia risposta immunitaria cellulare e umorale. Tuttavia, le conseguenze sono difficili da prevedere in quanto lo stress è noto per avere un effetto sia soppressivo che stimolante sul sistema immunitario. Per esplorare ulteriormente il potenziale ruolo protettivo di BDNF in condizioni di stress cronico, a livello cellulare, ci siamo serviti di un modello di stress citotossico in-vitro, consistente in una linea di cellule di neuroblastoma umano, le SK-N-BE, trattata con cisplatino, un farmaco chemioterapico. Da ciò abbiamo osservato che il cisplatino, in particolare dopo 24 di trattamento, aumenta la produzione di BDNF sia a livello trascrizionale che proteico. In aggiunta, lo stimolo citotossico dato dal cisplatino aumenta anche il tasso di trasduzione BDNF. Abbiamo ipotizzato che l'induzione della traduzione di BDNF avvenga attraverso l'attività di Aurora chinasi, come avviene, ad esempio, per la chinasi II dipendente da α-Ca2+/calmodulina (αCaMKII), in quanto si tratta di un meccanismo conservato a partire dagli ovociti di Xenopus fino a livello delle sinapsi neuronali di ippocampo. Pertanto, bloccando l’attività di Aurora chinasi grazie al potente inibitore PHA-680.632, ci aspettavamo di osservare una riduzione nella traduzione di BDNF e un aumento della mortalità cellulare come risultato del diminuito supporto trofico. Sorprendentemente, nonostante un aumento della morte cellulare, ma solo in combinazione con cisplatino, abbiamo osservato una maggiore induzione della traduzione di BDNF, soprattutto da quei trascritti contenenti in particolare l’esone 6 di BDNF (una variante di splicinge della porzione 5’ non tradotta), il cui ruolo è già stato osservato essere cruciale in condizioni di stress citotossico. In conclusione, i nostri risultati delineano un meccanismo di induzione della traduzione degli mRNA di BDNF potenzialmente indipendente da Aurora chinasi, almeno in condizioni di stress citotossico. Sebbene non dimostrato per BDNF, tali meccanismi potrebbero includere il reclutamento dell’unità trascrizionale con modalità indipendenti dalla presenza del cap al 5’ non tradotto degli mRNA. Le suddette osservazioni potrebbero avere importanti implicazioni cliniche nell'uso di inibitori di Aurora come coadiuvanti nel trattamento del neuroblastoma in quanto, nonostante inducano un aumento della mortalità, facilitano la selezione di cellule resistenti che producono una maggiore quantità di BDNF.
Stress was defined as “a specific response of the body to any non-specific demand (stressor) made on it”. When the real or perceived stressor is lasting or the response is inappropriate (distress), the physiological short-term changes switch to long-term alterations driving to pathological conditions, including mental illness. According to this “allostatic load” model, primary mediators such as catecholamines and steroid hormones trigger multi-systemic alterations of secondary signaling mediators possibly causing adverse manifestation in different body systems, including nervous and immune ones. Neurotrophins, in particular the Brain-Derived Neurotrophic Factor (BDNF), and immune mediators, like cytokines and chemokines, are possible modulators of the chronic stress response. Therefore, we aimed to assess their circulating levels in healthy persons in conditions of work-related stress. Before that, since measurement of peripheral BDNF is of great interest for psychiatrists but suffers for inconsistencies, possibly due to the lack of consistent procedures for BDNF samples collection and assessment, we aimed to overcome these limitations and defined a standardized methodology for both sample collection and BDNF measurement. Hence, we have selected the serum as the elective body fluid for BDNF quantification and, using sera from 40 healthy adult subjects, we compared the performance of six commercial BDNF ELISA kits. All kits showed 100% of sample recovery and, with one exception, comparable range. However, they exhibited very different inter-assay variations from 5% to 38%. Inter-assay variations, were higher than those declared by the manufacturers with only one exception which also had the best overall performance. Dot-blot analysis revealed that two kits selectively recognize mature BDNF, while the others reacted with both pro-BDNF and mature BDNF. Of note, having defined a standardized procedure which reduces the high variability due to technical, pre-analytical and analytical steps, this study provides the basis to obtain an accurate measure BDNF in human serum, suitable for future clinical applications. As mentioned, the next step was to assess circulating BDNF and immune mediators in subjects with job-related stress. We therefore measured BDNF and, using the multiplex ELISA technology, other 48 analytes among cytokines, chemokines and growth factors in the sera of 122 healthy subjects (87 female and 35 male). The participants were enrolled among healthcare assistants and evaluated for work-related stress using psychophysical stress and burnout scales extracted from a self-assessed questionnaire standardized for the Italian context (Qu-BO test). Psychophysical stress addressed five items, namely anxiety, emotion (depression-like), gastrointestinal disturbances, cardiac disturbances, ergonomic dysfunction at the workplace and an overall stress state as the average of the five items; burnout state has been measured using three cores adapted from the Maslach Burnout Inventory, specifically emotional exhaustion, depersonalization and personal accomplishment. Higher scores mean higher stress status, except for personal accomplishment. We found that female had higher scores than male for all psychophysical stress items and for the emotional exhaustion core. Then, after correcting for gender and body-mass index (BMI), we attempted to correlate the biological variables with the score scales, using a combination of univariate (partial correlations) and multivariate analysis (partial least square and factor analysis) which took in account correlations among analytes. As a result, we found no associations between burnout state and biological variables while, on the other hand, we detected negative associations between psychophysical stress items and some markers of the chemokine profile. In particular, we observed that levels of MCP-1/CCL2, CTACK/CCL27, RANTES/CCL5 and Eotaxin/CCL11 negatively correlate, with different grade, with the scores of anxiety, gastric and cardiac problems and ergonomic dysfunction at the workplace. In addition, we observed IL-17, a feature cytokine of the T-helper subtype 17 (Th17) which have been associated to tissue damage also at intestine level, to be positively associated with score in subjects reporting gastric problems (r=0.280, p=0.010). Intriguingly, we detected also a positive relationship between BDNF and score of ergonomic dysfunction at the workplace (r=0.284, p=0.009), potentially as a result of compensatory protective mechanisms. Taken together, our results support the hypothesis that chronic stress induces suppression of both cellular and humoral response. However, the consequences are hard to predict since stress is known to have both suppressive and enhancing effects on immune system. To further explore the potential protective role of BDNF in chronic stress conditions, we moved to an in-vitro cellular model of cytotoxic stress, consisting in SK-N-BE human neuroblastoma cell line treated with cisplatin, a chemotherapeutic drug. We found that cisplatin, in particular after 24 of treatment, enhances BDNF production at both transcriptional and protein levels. Of note, it induces also an increment in the transduction rate of BDNF mRNA transcripts. We hypothesized that BDNF translation induction occurs through the activity of Aurora kinase, like what happen for α-Ca2+/calmodulin-dependent protein kinase II (αCaMKII) mRNA, as it is a conserved mechanism from Xenopus oocytes to synapses of hippocampal neurons. Therefore, by blocking Aurora kinase activity thanks to the potent inhibitor PHA-680632, we were expecting to detect a reduction in BDNF translation and increased cell mortality as a result of the decreased trophic support. Surprisingly, despite an improved cell death only in combination with cisplatin, we observed an enhanced BDNF translation induction especially from those transcripts containing exon 6, a splice variant of the 5’ untranslated region, which have been already observed to be crucial in cytotoxic stress conditions. In conclusion, our results pointed toward a BDNF translation induction mechanism that is Aurora kinase independent, at least in conditions of cytotoxic stress. Although not investigated, some of these mechanisms may include 5’cap-independent recruitment of the translational machinery. Furthermore, our observations could have important clinical implications in the use of Aurora inhibitors as adjuvant in neuroblastoma treatment as, even if with a cell mortality increase, they facilitate the selection of resistant cells that further enhance BDNF production.
Ciclo di dottorato: XXVII Ciclo
metadata.dc.subject.classification: SCUOLA DI DOTTORATO DI RICERCA IN NEUROSCIENZE E SCIENZE COGNITIVE - indirizzo NEUROBIOLOGIA
Description: 2013/2014
Keywords: chronic-stress
cytokines
chemokines
BDNF
work-stress
biomarkers
cytotoxicity
neuroblastoma
standardization
Language: en
Type: Doctoral Thesis
Settore scientifico-disciplinare: BIO/06 ANATOMIA COMPARATA E CITOLOGIA
NBN: urn:nbn:it:units-13924
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