Análisis del efecto de la cafeína en un modelo computacional de neurona dopaminérgica, en relación a la enfermedad de Parkinson

Abstract

La enfermedad de Parkinson es la segunda enfermedad neurodegenerativa de mayor importancia en el mundo después de la enfermedad de Alzheimer, afectando entre el 1% de los adultos mayores de 65 años y el 2% de los adultos mayores de 85 años. Numerosos estudios han encontrado una relación inversa entre el consumo de cafeína y el riesgo de desarrollar la enfermedad de Parkinson, adicionalmente, se ha comprobado que la cafeína tiene la capacidad de proteger a las neuronas dopaminérgicas de la degeneración inducida por distintas neurotoxinas, mejorando su viabilidad. Con el fin de dilucidar los posibles mecanismos de neuroprotección mediados por la cafeína, se desarrolló un modelo computacional tejido específico, del conjunto de reacciones bioquímicas propias de la neurona dopaminérgica tomando como base el conjunto de reacciones de neurona que dan flujo a la función objetivo de mantenimiento celular, se añadieron los componentes de síntesis y transporte de dopamina, para la simulación de neurona saludable y neurona con Parkinson, utilizando como evidencia datos de expresión de genes, a partir de muestras postmortem de sustancia nigra en pacientes con Parkinson y controles. Se simularon 4 escenarios diferentes: neurona saludable, neurona saludable + cafeína, neurona Parkinson y neurona Parkinson + cafeína. Como resultado a estos cuatro escenarios se encontró que para el fenotipo metabólico de neurona saludable + cafeína hubo un aumento en el transporte de dopamina vía sodio (9,3 μM·h-1 a 37,6 μM·h-1), a comparación con el fenotipo encontrado en el modelo de neurona Parkinson + cafeína, donde los niveles de trasporte de dopamina vía sodio fueron constantes, pero mucho menores (-7,43 μM·h-1 a -7,43 μM·h-1). Con respecto a los escenarios con cafeína negativa, utilizados como control en ambos escenarios, se hallaron valores de flujo de (10 μM·h-1) para el modelo saludable y de (-8 μM·h-1) para el modelo Parkinson. Por lo tanto, teniendo en cuenta estos resultados, se puede inferir principalmente que, la cafeína no muestra efectos negativos en el mantenimiento celular de la neurona, y por ende no hay ni muerte celular, ni deficiencia en su metabolismo, por lo que la neurona no se ve afectada de manera negativa con la presencia de esta sustancia.

Abstract. Parkinson's disease is the second most important neurodegenerative disease in the world after Alzheimer's disease, affecting between 1% of adults over 65 years and 2% of adults over 85 years. Numerous studies have found an inverse relationship between caffeine intake and the risk of developing Parkinson's disease; in addition, caffeine has been shown to have the ability to protect dopaminergic neurons from neurotoxin-induced degeneration, improving their viability. In order to elucidate the possible mechanisms of neuroprotection mediated by caffeine, a tissue-specific computational model was developed from the set of biochemical reactions typical of the dopaminergic neuron based on the set of neuronal reactions that give flux to the objective function of cellular maintenance, also, dopamine synthesis and transport reactions were added. For healthy neuron and Parkinson neuron simulation were used evidence of gene expression from postmortem substantia nigra samples in Parkinson patients and controls. Four different scenarios were simulated: healthy neuron, healthy neuron + caffeine, Parkinson's neuron and Parkinson's neuron + caffeine. As a result of these four scenarios it was found that for the metabolic phenotype of healthy neuron + caffeine there was an increase in the transport of dopamine via sodium (9.3 µM·h-1 to 37.6 µM·h-1 ), compared with the phenotype found in the Parkinson + caffeine simulation, where levels of dopamine transport via sodium were constant but much lower (-7.43 µM·h-1 to -7.43 µM·h-1 ). With regard to negative caffeine scenarios, used as controls, flux values of (10 µM·h-1 ) were found for the healthy model and (-8 µM·h-1 ) for the Parkinson model. Therefore, taking into account these results, it can be inferred mainly that, caffeine does not show negative effects on the cellular maintenance of the neuron, and therefore there is neither cell death nor deficiency in its metabolism, so the neuron Is not negatively affected by the presence of this substance.