Role of intracellular calcium and novel neuroprotective strategies against amyloid peptide and SARS-CoV-2 viroporin E.

Abstract

Neurodegenerative diseases are a growing challenge due to their increasing prevalence, largely driven by the ageing population. These diseases are characterized by the progressive deterioration of the central nervous system, with Alzheimer’s disease being one of the most common, which leads into cognitive decline. Additionally, COVID-19 shares similarities with these conditions, as it can affect the nervous system, and ageing is a known risk factor. Two key factors involved in neurodegenerative processes are disruptions in Ca²⁺ homeostasis and neuronal death. Within this context, the objective of this doctoral research is to elucidate alterations in intracellular Ca²⁺ homeostasis and investigate its role in the mechanism of action of novel neuroprotective strategies against amyloid β oligomers in Alzheimer's disease and the SARS-CoV-2 E viroporin in COVID-19. Novel molecules with a heterocyclic structure have been proposed in this research as potential neuroprotectors against Alzheimer's disease due to their ability to reduce neuronal death induced by NMDA-mediated excitotoxicity and amyloid β oligomers, as well as their capacity to modulate Ca²⁺ signalling. Additionally, the neuroprotective role of acetylcholine in ageing hippocampal neurons has been demonstrated. Astrocytes are the most abundant cell type in the central nervous system, and unlike neurons, this thesis highlights that their exposure to amyloid β oligomers does not induce cell death. However, astrocytes do experience alterations in redox levels and intracellular Ca²⁺ stores. Furthermore, the transfer of healthy mitochondria to amyloid β-treated astrocytes is proposed as a strategy to reverse the changes in intracellular Ca²⁺ stores. The E viroporin, like amyloid β oligomers, induces cell death in aged neurons but not in young neurons or astrocytes. Moreover, it has been shown to disrupt Ca²⁺ homeostasis by triggering the release of Ca²⁺ from stores and other additional Ca²⁺ events. Interestingly, Aplidin has demonstrated potential in preventing the death of aged hippocampal neurons and reducing the Ca²⁺ release from stores induced by the E protein. However, the combination of E protein and amyloid β oligomers does not have a summative effect on neuronal toxicity. In conclusion, both amyloid β oligomers and the SARS-CoV-2 E viroporin induce cell death in aged neurons but not in astrocytes, along with disrupting Ca²⁺ homeostasis. Strategies such as novel molecules, existing drugs, or mitocondrial transfer are proposed as potential therapies for Alzheimer's disease and COVID-19.

Las enfermedades neurodegenerativas constituyen un reto debido al aumento de su prevalencia, relacionado con el envejecimiento de la población. Estas patologías se caracterizan por un deterioro progresivo del sistema nervioso central, siendo la enfermedad de Alzheimer una de las más comunes, y la cual está asociada a un importante deterioro cognitivo. Asimismo, la enfermedad COVID-19 comparte ciertas características con estas enfermedades neurodegenerativas, ya que puede afectar al sistema nervioso, y el envejecimiento actúa como un factor de riesgo. Entre los mecanismos implicados en los procesos neurodegenerativos destacan las alteraciones en la homeostasis del calcio (Ca²⁺) intracelular y la muerte neuronal.

Nuevas moléculas con estructura heterocíclica se han evaluado como agentes neuroprotectores frente a la excitotoxicidad mediada por NMDA y los oligómeros de β-amiloide, observándose una reducción significativa de la muerte neuronal y una modulación de la señalización del Ca²⁺ intracelular. Además, se ha demostrado el efecto neuroprotector de la acetilcolina en neuronas de hipocampo envejecidas.

Además, se ha comprobado que los astrocitos, aunque no presentan muerte celular tras la exposición a oligómeros de β-amiloide, experimentan alteraciones en los niveles redox y en los depósitos de Ca²⁺ intracelular. La transferencia de mitocondrias sanas a astrocitos tratados con β-amiloide se propone como una estrategia eficaz para revertir dichas alteraciones.

En cuanto a la viroporina E del SARS-CoV-2, se ha evidenciado que induce muerte celular en neuronas envejecidas, pero no en neuronas jóvenes ni en astrocitos, además altera la homeostasis de Ca²⁺ mediante la liberación desde los depósitos intracelulares. El fármaco Aplidina ha mostrado capacidad para prevenir la muerte neuronal inducida por la viroporina y además, reduce la liberación de Ca²⁺ desde los depósitos. No se ha observado un efecto sinérgico en la toxicidad neuronal cuando se combinan los oligómeros de β-amiloide con la viroporina E.

En conclusión, esta tesis pone de manifiesto que tanto los oligómeros de β-amiloide como la viroporina E del SARS-CoV-2 inducen muerte celular en neuronas envejecidas y alteran la homeostasis del Ca²⁺, sin afectar de igual forma a los astrocitos. Se proponen diferentes estrategias terapéuticas, como el uso de nuevas moléculas, fármacos existentes o la transferencia mitocondrial, como enfoques prometedores frente a la enfermedad de Alzheimer y COVID-19.