Impact of Brain Endothelial Senescence on Neurogenesis: Application of Novel Strategies for Age-Related Senescence Detection

Abstract

[ES] El envejecimiento se concibe como un proceso progresivo de deterioro funcional que se produce a lo largo de la vida. En general, el avance de la edad va acompañado del deterioro de múltiples tejidos, la alteración de la homeostasis y el aumento de la fragilidad. La edad se considera el principal factor de riesgo de un gran número de enfermedades con elevadas tasas de mortalidad, como las patologías cardiovasculares, el cáncer, la fibrosis pulmonar, la esteatosis hepática y los trastornos neurodegenerativos, entre otros. A medida que aumenta la población de edad avanzada, estas patologías son cada vez más frecuentes en nuestra sociedad y constituyen actualmente una de las principales preocupaciones sanitarias en atención primaria. Por consiguiente, comprender los mecanismos que causan el envejecimiento y el consiguiente deterioro de la salud es un reto importante para la comunidad científica, respaldado por un significativo interés socioeconómico. Alcanzar este objetivo permitiría realizar intervenciones específicas contra las enfermedades relacionadas con la edad, promover un envejecimiento saludable y prolongar la vida humana. En este contexto, la senescencia celular se ha convertido en un importante objetivo de investigación, ya que este destino celular se considera un factor que contribuye al deterioro funcional y estructural de los tejidos con el aumento de la edad, dando lugar a enfermedades crónicas. Los trastornos neurodegenerativos son en su mayoría de etiología desconocida, y en la actualidad sólo se dispone de tratamientos paliativos. La neurodegeneración puede deberse a la disminución de la neurogénesis que se produce con el envejecimiento. A este respecto, la vasculatura cerebral representa un componente esencial de los nichos neurogénicos, donde residen las células con capacidad para generar nuevas neuronas. Los microvasos cerebrales contribuyen sustancialmente a preservar la homeostasis y el potencial neurogénico de estas regiones, pero también experimentan cambios estructurales y funcionales con la edad. Sin embargo, aún no está claro si estas alteraciones están relacionadas con la senescencia celular. De ahí que el propósito de esta tesis sea profundizar en los entresijos de la senescencia relacionada con la edad y su impacto en el proceso de envejecimiento cerebral. En este sentido, hemos desarrollado una sonda fluorogénica para la detección in vivo de la actividad ß-Gal, un marcador ampliamente utilizado de senescencia celular. Hemos estimado la carga de células senescentes de forma no invasiva en estudios longitudinales utilizando esta sonda durante el envejecimiento natural y acelerado o durante tratamientos senolíticos. Estos resultados nos han permitido establecer una correlación real entre envejecimiento y senescencia. Por otro lado, hemos centrado nuestros esfuerzos en crear estrategias para detectar la senescencia en las células endoteliales cerebrales y estudiar sus efectos sobre la neurogénesis durante el envejecimiento. Los resultados mostraron que las células endoteliales senescentes a nivel cerebral tienen un impacto perjudicial sobre la neurogénesis y las células madre neurales, lo que sitúa a estas células como diana para futuros estudios sobre el envejecimiento cerebral.

[CA] L'envelliment es concep com un procés progressiu de deterioració funcional que es produeix al llarg de la vida. En general, l'avanç de l'edat va acompanyat de la deterioració de múltiples teixits, l'alteració de l'homeòstasi i l'augment de la fragilitat. L'edat es considera el principal factor de risc d'un gran nombre de malalties amb elevades taxes de mortalitat, com les patologies cardiovasculars, el càncer, la fibrosi pulmonar, la esteatosis hepàtica i els trastorns neurodegeneratius, entre altres. A mesura que augmenta la població d'edat avançada, aquestes patologies són cada vegada més freqüents en la nostra societat i constitueixen actualment les principals preocupacions sanitàries en atenció primària. Per consegüent, comprendre els mecanismes que causen l'envelliment i la consegüent deterioració de la salut és un repte important per a la comunitat científica, recolzat per un significatiu interés socioeconòmic. Aconseguir aquest objectiu permetria realitzar intervencions específiques contra les malalties relacionades amb l'edat, promoure un envelliment saludable i prolongar la vida humana. En aquest context, la senescència cel·lular s'ha convertit en un important objectiu d'investigació, ja que aquest destí cel·lular es considera un factor que contribueix a la deterioració funcional i estructural dels teixits amb l'augment de l'edat, donant lloc a malalties cròniques. Els trastorns neurodegeneratius són en la seua majoria d'etiologia desconeguda, i en l'actualitat només es disposa de tractaments pal·liatius. La neurodegeneración pot deure's a la disminució de la neurogènesi que es produeix amb l'envelliment. Referent a això, la vasculatura cerebral representa un component essencial dels nínxols neurogènics, on resideixen les cèl·lules amb capacitat per a generar noves neurones. Els microvasos cerebrals contribueixen substancialment a preservar l'homeòstasi i el potencial neurogènic d'aquestes regions, però també experimenten canvis estructurals i funcionals amb l'edat. No obstant això, encara no és clar si aquestes alteracions estan relacionades amb la senescència cel·lular. D'aquí ve que el propòsit d'aquesta tesi siga aprofundir en els secrets de la senescència relacionada amb l'edat i el seu impacte en el procés d'envelliment cerebral. En aquest sentit, hem desenvolupat una sonda fluorogénica per a la detecció in vivo de l'activitat ß-Gal, un marcador àmpliament utilitzat de senescència cel·lular. Hem estimat la càrrega de cèl·lules senescentes de forma no invasiva en estudis longitudinals utilitzant aquesta sonda durant l'envelliment natural i accelerat o durant tractaments senolíticos. Aquests resultats ens han permés establir una correlació real entre envelliment i senescència. D'altra banda, hem centrat els nostres esforços a crear estratègies per a detectar la senescència en les cèl·lules endotelials cerebrals i estudiar els seus efectes sobre la neurogènesi durant l'envelliment. Els resultats van mostrar que les cèl·lules endotelials *senescentes a nivell cerebral tenen un impacte perjudicial sobre la neurogènesi i les cèl·lules mare *neurales, la qual cosa situa a aquestes cèl·lules com a diana per a futurs estudis sobre l'envelliment cerebral.

[EN] Ageing is conceived as a progressive process of functional decline that occurs over the course of life. In general, advancing age is accompanied by the deterioration of multiple tissues, altered homeostasis and increased frailty. Age is considered to be the main risk factor for a large number of diseases with high mortality rates, such as cardiovascular pathologies, cancer, pulmonary fibrosis, hepatic steatosis, and neurodegenerative disorders, among others. As the elderly population grows, these pathologies are becoming increasingly prevalent in our society and are now the leading health concerns in primary care. Consequently, comprehending the mechanisms that cause ageing and resulting health decline is a major challenge for the scientific community, backed by significant socio-economic interest. Achieving this goal would allow for targeted interventions against age-related diseases, promote healthy ageing, and extend human lifespan. In this context, cellular senescence has emerged as an important research target, as this cellular fate is considered a contributing factor to the functional and structural deterioration of tissues with increasing age, leading to chronic diseases. Neurodegenerative disorders are mostly of unknown etiology, and only palliative treatments are currently available. Neurodegeneration may be prompted by the decline in neurogenesis that occurs with ageing. In this regard, the brain vasculature represents an essential component of the neurogenic niches, where cells with the capacity to generate new neurons reside. Brain microvessels contribute substantially to preserving the homeostasis and neurogenic potential of these regions, but they also undergo structural and functional changes with age. However, whether these alterations are linked to cellular senescence it is not yet clear. Hence, the purpose of this thesis is to delve deeper into the intricacies of age-related senescence and its impact on the process of brain ageing. In this regard, we have developed a fluorogenic probe for the in vivo detection of ß-Gal activity, a widely used marker of cellular senescence. We have estimated the senescent cell burden non-invasively in longitudinal studies using this probe during natural and accelerated ageing or during senolytic treatments. These results have allowed us to establish a real correlation between ageing and global senescence. On the other hand, we have focused our efforts on creating strategies to detect senescence in brain endothelial cells and to study its effects on neurogenesis during ageing. The results showed that senescent endothelial cells at the brain level have a detrimental impact on neurogenesis and neural stem cells, positioning these cells as a target for future studies on brain ageing.