The microRNAs as potential biomarkers of neonatal brain ischemia and their alterations following the melatonin treatment

master's thesis

• Title (croatian): MikroRNA molekule kao potencijalni biomarkeri ishemijske ozljede mozga kod novorođenčadi i njihove modulacije nakon primjene melatonina
• Author: Marta Dobrić
• Mentor: Lidija Bach-Rojecky (mentor)
• Committee member: Lidija Bach-Rojecky (predsjednik povjerenstva)
• Committee member: Dubravka Vitali Čepo (član povjerenstva)
• Committee member: Sandra Šupraha-Goreta (član povjerenstva)
• Granter: University of Zagreb; Faculty of Pharmacy and Biochemistry; (Department of pharmacology); Zagreb
• Defense date and country: 2021-09-21, Croatia
• Scientific / art field, discipline and subdiscipline: BIOMEDICINE AND HEALTHCARE; Pharmacy; Pharmacy

Abstract

Birth asphyxia, i.e. impaired intrapartum gas exchange, is the most common cause of brain damage in perinatal period.
The clinical cerebral entity observed after a severe global asphyxia is termed hypoxic-ischemic encephalopathy (HIE).
Four million newborn infants experience birth asphyxia each year, which leaves them with significant brain injuries and
long-lasting consequences, such as cerebral palsy, epilepsy and sensory deficits. To date, the diagnosis and prognosis of
an ischemic insult rely on clinical manifestations, which are highly variable, and neuroimaging. However, with this
approach it is difficult to predict outcomes early during the course, when the intervention with targeted therapies would
be the most efficient. Therefore, on a global scale, finding quantitative biomarkers that could measure the degree of
injury, assist in triage to therapy and give prognostic information, will contribute significantly to the management of
neonatal HIE. MicroRNAs (miRNAs) have an immense potential as biomarkers of perinatal brain injury, considering
that a lot of them have been detected both in brain tissue and in serum/plasma. Additionally, ischemic insult is showed
to affect their levels in both of these types of samples.
Furthermore, hypothermia is currently the only therapy for perinatal HIE, indicating that there is a strong need for
alternative and supplementary neuroprotective agents. Melatonin has emerged as a promising molecule in that aspect
due to its neuroprotective properties, low toxicity and ability to readily cross the blood-brain barrier.
Focus of this thesis is set on the changes in miR-126 and miR-146a levels induced by cerebral hypoxia-ischemia (HI)
and melatonin in cerebral cortex, as well as in the serum of newborn rats. MicroRNA miR-126 is involved in
angiogenesis, while miR-146a negatively regulates innate and adaptive immune responses. These processes are activated
during HI and seem to play a major role in brain damage and/or neuronal protection.
The results reported in this thesis confirm that melatonin significantly reduces the brain damage induced by neonatal HI
and provide preliminary evidence of the modulation of miR-126 and miR-146a after the ischemic insult and melatonin
treatment. The RT-qPCR analysis revealed a significant modulation of both miR-126 and miR-146a in the early phase ,
i.e. one hour after the insult. This modulation is observed both in the cerebral tissue and in the serum, indicating that
miRNA dysregulation in the circulation may be the reflection of similar changes in the ischemic tissue. Therefore, the
results of this study may support the idea of miRNAs as potential biomarkers for perinatal brain injury.

Abstract (croatian)

Uvod u područje istraživanja: Asfiksija novorođenčeta, koju karakterizira nedostatna opskrba krvi i tkiva kisikom, jedan je od
najčešćih uzroka oštećenja mozga u perinatalnom razdoblju. Klinička manifestacija, tj. lezija mozga koja nastaje kao posljedica
manjka kisika i poremećaja cirkulacije naziva se hipoksično-ishemijska encefalopatija (HIE). Prevalencija asfiksije novorođenčadi
doseže brojku od četiri milijuna godišnje, rezultirajući dugotrajnim posljedicama po dijete, kao što su cerebralna paraliza, epilepsija
i gubitak osjetnih živaca. Dijagnostika i prognostika novorođenačke HIE danas se oslanja na kliničke manifestacije, koje znatno
variraju od pojedinca do pojedinca, te na tehnike slikanja mozga. Nedostatak ovakvoga pristupa je nemogućnost rane detekcije
patoloških promjena, što je ključno kako bi se na vrijeme primijenila ciljana terapija. Iz tog razloga očigledno je da postoji potreba za
pronalaskom kvantitativnih biomarkera pomoću kojih bi se mogao izmjeriti stupanj oštećenja, procijeniti potreba za terapijom i vrsta
potrebne terapije te pratiti njena učinkovitost. Svojstva biomarkera prepoznata su u mikroRNA molekulama s obzirom da ih je moguće
kvantificirati i u moždanom tkivu i u serumu/plazmi te s obzirom da asfiksija, kao i posljedična HIE, utječu na njihove razine u oba
tipa uzorka. Nadalje, terapijska je hipotermija trenutno jedina opcija za liječenje HIE, što dovodi do zaključka da je pronalaženje
alternativnih i/ili suplementarnih neuroprotektivnih molekula prioritet u perinatalnoj medicini. Melatonin je obećavajuća molekula u
tom smislu, budući da pokazuje antioksidativna svojstva, niske je toksičnosti te lako prijelazi krvno-moždanu barijeru.
Obrazloženje teme: Tema ovog diplomskog rada promjene su u razinama dvaju mikroRNA, miR-126 i miR-146a, izazvane
hipoksijom-ishemijom (HI), u mozgu i u serumu novorođenih štakora. MikroRNA miR-126 važna je za angiogenezu, dok miR-146a
igra ulogu u negativnoj regulaciji urođenih i stečenih imunosnih mehanizama. Ovi su procesi narušeni u stanju hipoksije-ishemije,
stoga bi njihova adekvatna modulacija mogla zaštititi još nerazvijeni mozak od neželjenih posljedica.
Rezultati: Rezultati ovog istraživanja potvrdili su da melatonin značajno smanjuje oštećenje mozga uzrokovano novorođenačkom
asfiksijom te pruža preliminarne dokaze o modulaciji mikroRNA miR-126 i miR-146a nakon hipoksije-ishemije i tretiranja
melatoninom mladunčadi štakora. Točnije, RT-qPCR analizom utvrđeno je da su razine obaju mikroRNA znatno promijenjene već u
ranoj fazi, tj. sat vremena nakon izazivanja HI. Navedena promjena vidljiva je kako u moždanoj kori, tako i u serumu, što upućuje na
to da poremećaj razina mikroRNA u cirkulaciji može odražavati slične promjene u ishemičnom tkivu.
Zaključak: Rezultati ovoga diplomskog rada govore u korist endogenih mikroRNA kao potencijalnih biomarkera HIE s obzirom na
njihovu tkivnu selektivnost, stabilnost u plazmi te na činjenicu da su vjerni pokazatelji određenih patoloških promjena u moždanom
tkivu.

• Keywords: neonatal; rats; brain damage; HIE; miRNA; biomarkers; melatonin; miR-126; miR-146a
• Keywords (english): novorođenčad; štakori; oštećenje mozga; HIE; mikroRNA; biomarkeri; melatonin; miR-126; miR-146a
• Language: english
• URN:NBN: urn:nbn:hr:163:063190
• Study programme: Title: Pharmacy; Study programme type: university; Study level: integrated undergraduate and graduate; Academic / professional title: magistar/magistra farmacije (magistar/magistra farmacije)
• Type of resource: Text
• File origin: Born digital
• Access conditions: Open access; Embargo expiration date: 2023-09-10
• Created on: 2022-03-28 08:48:31