Mathematical and computational modeling of the role of homocysteine in the oxidative process and its influence in neuronal degenerative diseases
DOI:
https://doi.org/10.5433/1679-0375.2021v42n1p75Keywords:
Mathematical Neuroscience, Mathematical Modeling, Oxidative Process, Degeneratives DiseasesAbstract
Degenerative neurological diseases, although common in the population, are difficult to diagnose. However, it is known that most of them are directly related to the so-called oxidative stress. Understanding and evaluating how this process takes place is of great interest and, in this sense, this work extends the existing mathematical and computational models for the oxidative stress process (REIS, 2005; REIS et al., 2006; VIANNA, 2005; VIANNA; REIS; CARVALHO, 2012), incorporating an aspect not previously evaluated, the influence of homocysteine indices on the oxidants present in this process. The results indicate that hyperhomocysteinemia can in fact cause oxidative stress and consequent neuronal death, leading to the appearance of neurodegenerative diseases.References
AGRAWAL, A.;ILANGO, K.; SINGH, P. K.; KARMAKAR, D.; SINGH, G. P.; KUMARI, R.; DUBEY, G. P. Age dependent levels of plasma homocysteine and cognitive performance. Behav Brain Res., Amsterdam, v. 283, p. 139-44, 2015. DOI: https://doi.org/10.1016/j.bbr.2015.01.016.
AMORIM, F.; REZENDE, L. C. D.; COITINHO, L.; FREITAS, J. V. Bioquímica clínica da aterosclerose provocada por hiperhomocisteinemia. Revista Eletrônica de Farmácia, Goiânia, v. 3, n. 1, p. 36-59, 2011.
ANSARI, R.; MAHTA, A.; MALLACK, E.; LUO, J. J. Hyperhomocysteinemia and neurologic disorders: a review. Journal of clinical neurology, Mumbai, v. 10, n. 4, p. 281–288, 2014. DOI: http://dx.doi.org/10.3988/jcn.2014.10.4.281.
BELLAVER, B. O papel dos astrócitos no envelhecimento cerebral: avaliação de parâmetros glutamatérgicos, oxidativos e inflamatórios em culturas hipocampais de ratos Wiatai. 2015. Dissertação (Mestrado) - Instituto de Ciências Básicas e de Saúde, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2015.
BIANCHI, D.; DE MICHELE, P.; MARCHETTI, C.; TIROZZI, B.; CUOMO, S.; MARIE, H.; MIGLIORI, M. Effects of increasing CREB-dependent transcription on the storage and recall processes in a hippocampal CA1 microcircuit. Hippocampus, New York, v. 24, n. 2, p. 165-77, 2014.
CARDOSO, I. L. Homocisteína e doença cardiovascular. Revista da Faculdade de Ciências da Saúde, [S. l.], v. 6, p. 198-206, 2009.
CARTEIRO, J. M. R. Doença de Alzheimer e homocisteína: a dieta mediterrânica como possível fator modificador. 2017. Dissertação (Mestrado) - Faculdade de Medicina da Universidade de Coimbra, Coimbra, 2017.
CUTSURIDIS, V.; MOUSTAFA, A. Computational models of Alzheimer’s disease. Scholarpedia, San Diego, v. 12, n. 1, p. 32144, 2017. DOI 10.4249/scholarpedia.32144.
DEMINICE, R.; VILHENA, R.; PORTARI G. V.; JORDÃO, A. A. Suplementação de creatina, homocisteína e estresse oxidativo. Revista Medicina Ribeirão Preto, Ribeirão Preto, v. 30, n. 3, p. 368-377, 2007.
DUCH, W. Computational models of dementia and neurological problems. In: CRASTO, C. J. (ed.). Methods in Molecular Biology. Totowa: Humana Press, 2007. (J. Walker, series ed.). p. 307-336.
GRAVINA-TADDEI, C. F.; BATLOUNI, M.; SARTESCHI, C.; BALTAR, V. T.; SALVARINI, N. A. C.; BERTOLAMI, M. C.; SOUSA, J. E. M. R. Hiper-homocisteinemia como fator de risco para doença aterosclerótica coronariana em idoso. Arquivos Brasileiros de Cardiologia, São Paulo, v. 85, n. 3, p. 166-173, 2005.
FREITAS, A. G. S.Um Modelo Matemático para o Estresse Oxidativo no Desenvolvimento de Doenças Neurológicas. Dissertação (Mestrado) - Programa de Pós-graduação em Modelagem Matemática e Computacional, Universidade Federal Rural do Rio de Janeiro, 2020.
GRAVINA-TADDEI, C. F.; BATLOUNI, M.; SARTESCHI, C.; BALTAR, V. T.; SALVARINI, N. A. C.; BERTOLAMI, M. C.; SOUSA, J. E. M.
R. Hiper-homocisteinemia como fator de risco para doença aterosclerótica coronariana em idoso. Arquivos Brasileiros de Cardiologia, São Paulo, v. 85, n. 3, p. 166-173, 2005.
LOBO, V.; PATIL, A.; PHATAK, A.; CHANDRA, N. Free radicals, antioxidants and functional foods: impact on human health. Pharmacogn Rev, Mumbai, v. 4, n. 8, p. 118–126, 2010.
MATOS, H. C. A homocisteína e sua correlação com doenças cardiovasculares. 2003. Monografia (Especialização Ciências Biológicas) - Centro Universitário De Brasília, Brasília, 2003.
MOUSTAFA, A. A.; KERI, S.; HERZALLA, M. M.; MYERS, C. E.; GLUCK, M. A. A neural model of hippocampal-striatal interactions in associative learning and transfer generalization in various neurological and psychiatric patients. Brain Cogn., New York, v. 74, n. 2, p. 132-134, 2010.
OLIVEIRA, C. A. R. Influência de contaminantes ambientais na patogênese de doenças neurodegenerativas. 2019. Dissertação (Mestrado) - Faculdade de Medicina, Universidade da Beira Interior, Covilhã, 2019.
REIS, A. E. S. Um modelo matemático-computacional do estresse oxidativo na doença de Alzheimer. 2005. Dissertação (Mestrado) - Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2005.
REIS, A. E. S.; VIANNA, G. K.; BARRETO, F.; CARVALHO, L. A. V. A. Computational mathematical model of neuronal death caused by oxidative stress in Alzheimer’s disease. Lecture Notes in Computer Science, Berlin, v. 3991, n. 1, p. 842-845, 2006.
ROWAN, M. S.; NEYMOTIM, S.; LYTTON, W. W. Electrostimulation to reduce synaptic scaling driven progression of Alzheimer’s disease. Frontiers in computational neuroscience, Lausanne, v. 8, n. 39, p. 1-12, 2014.
SASIDHARAKURUP, H.; DIWAKAR, S. Computational modelling of TNFα related pathways regulated by neuroinflammation, oxidative stress and insulin resistance in neurodegeneration. Applied network Science, [Basel], v. 5, n. 72, p. 1-21, 2020.
SIQUEIRA, L. D. Estudo dos mecanismos de déficit cognitivo associado ao envelhecimento: o papel da resposta inflamatória. 2016. Dissertação (Mestrado) - Fundação Oswaldo Cruz, Rio de Janeiro, 2016.
SOCHOCKA, M.; DINIZ, B. S.; LESZEK, J. Inflammatory response in the CNS: friend or foe . Molecular neurobiology, Clifton, v. 54, n. 10, p. 8071-8089, 2017.
ŠKOVIEROVÁ, H.; VIDOMANOVÁ, E.; MAHMOOD, S.; SOPKOVÁ, J.; DRGOVÁ, A.; CERVENOVÁ, T.; HA LASOVÁ, E.; LEHOTSKÝ, J. The molecular and cellular effect of homocysteine metabolism imbalance on human health. International Journal of Molecular Sciences, Basel, v. 17, n. 10, p. 1733, 2016.
VIANNA, G. K. Um modelo neurocomputacional do papel do colesterol no desenvolvimento da doença de Alzheimer. 2005. Tese (Doutorado) - Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2005.
VIANNA, G. K.; REIS, A. E. S.; CARVALHO, L. A. V. Neurociência computacional: um enfoque matemático sobre a doença de Alzheimer. In: ESPERIDIÃO-ANTONIO, V. Neurociências: diálogos e interseções. Rio de Janeiro: Editora Rubio Ltda, 2012. p. 553-574.
YAN, S. D.; ZHU, H.; FU, J.; YAN, S. F.; ROHER, A.; TOURTELLOTE, W. W.; RAJAVASHISTH, T.; CHEN, X.; GODMAN, G. C.; STERN, D.; SCHMIDT, A. M. Amyloid-beta peptide - receptor for advanced glycation end product interaction elicits neuronal expression of macrophage-colony stimulating factor: a proinflammatory pathway in Alzheimer’s disease. Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA, Washington, v. 94, p. 5296- 5301, 1997.
ZHU, X.; PERRY, G.; MOREIRA, P. I., ALIEV, G., CASH, A. D., HIRAI, K., SMITH, M. A. Mitochondrial abnormalities and oxidative imbalance in Alzheimer disease. Journal of Alzheimer’s Disease, Amsterdam, v. 9, n. 2, p. 147- 153, 2006.
AMORIM, F.; REZENDE, L. C. D.; COITINHO, L.; FREITAS, J. V. Bioquímica clínica da aterosclerose provocada por hiperhomocisteinemia. Revista Eletrônica de Farmácia, Goiânia, v. 3, n. 1, p. 36-59, 2011.
ANSARI, R.; MAHTA, A.; MALLACK, E.; LUO, J. J. Hyperhomocysteinemia and neurologic disorders: a review. Journal of clinical neurology, Mumbai, v. 10, n. 4, p. 281–288, 2014. DOI: http://dx.doi.org/10.3988/jcn.2014.10.4.281.
BELLAVER, B. O papel dos astrócitos no envelhecimento cerebral: avaliação de parâmetros glutamatérgicos, oxidativos e inflamatórios em culturas hipocampais de ratos Wiatai. 2015. Dissertação (Mestrado) - Instituto de Ciências Básicas e de Saúde, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, 2015.
BIANCHI, D.; DE MICHELE, P.; MARCHETTI, C.; TIROZZI, B.; CUOMO, S.; MARIE, H.; MIGLIORI, M. Effects of increasing CREB-dependent transcription on the storage and recall processes in a hippocampal CA1 microcircuit. Hippocampus, New York, v. 24, n. 2, p. 165-77, 2014.
CARDOSO, I. L. Homocisteína e doença cardiovascular. Revista da Faculdade de Ciências da Saúde, [S. l.], v. 6, p. 198-206, 2009.
CARTEIRO, J. M. R. Doença de Alzheimer e homocisteína: a dieta mediterrânica como possível fator modificador. 2017. Dissertação (Mestrado) - Faculdade de Medicina da Universidade de Coimbra, Coimbra, 2017.
CUTSURIDIS, V.; MOUSTAFA, A. Computational models of Alzheimer’s disease. Scholarpedia, San Diego, v. 12, n. 1, p. 32144, 2017. DOI 10.4249/scholarpedia.32144.
DEMINICE, R.; VILHENA, R.; PORTARI G. V.; JORDÃO, A. A. Suplementação de creatina, homocisteína e estresse oxidativo. Revista Medicina Ribeirão Preto, Ribeirão Preto, v. 30, n. 3, p. 368-377, 2007.
DUCH, W. Computational models of dementia and neurological problems. In: CRASTO, C. J. (ed.). Methods in Molecular Biology. Totowa: Humana Press, 2007. (J. Walker, series ed.). p. 307-336.
GRAVINA-TADDEI, C. F.; BATLOUNI, M.; SARTESCHI, C.; BALTAR, V. T.; SALVARINI, N. A. C.; BERTOLAMI, M. C.; SOUSA, J. E. M. R. Hiper-homocisteinemia como fator de risco para doença aterosclerótica coronariana em idoso. Arquivos Brasileiros de Cardiologia, São Paulo, v. 85, n. 3, p. 166-173, 2005.
FREITAS, A. G. S.Um Modelo Matemático para o Estresse Oxidativo no Desenvolvimento de Doenças Neurológicas. Dissertação (Mestrado) - Programa de Pós-graduação em Modelagem Matemática e Computacional, Universidade Federal Rural do Rio de Janeiro, 2020.
GRAVINA-TADDEI, C. F.; BATLOUNI, M.; SARTESCHI, C.; BALTAR, V. T.; SALVARINI, N. A. C.; BERTOLAMI, M. C.; SOUSA, J. E. M.
R. Hiper-homocisteinemia como fator de risco para doença aterosclerótica coronariana em idoso. Arquivos Brasileiros de Cardiologia, São Paulo, v. 85, n. 3, p. 166-173, 2005.
LOBO, V.; PATIL, A.; PHATAK, A.; CHANDRA, N. Free radicals, antioxidants and functional foods: impact on human health. Pharmacogn Rev, Mumbai, v. 4, n. 8, p. 118–126, 2010.
MATOS, H. C. A homocisteína e sua correlação com doenças cardiovasculares. 2003. Monografia (Especialização Ciências Biológicas) - Centro Universitário De Brasília, Brasília, 2003.
MOUSTAFA, A. A.; KERI, S.; HERZALLA, M. M.; MYERS, C. E.; GLUCK, M. A. A neural model of hippocampal-striatal interactions in associative learning and transfer generalization in various neurological and psychiatric patients. Brain Cogn., New York, v. 74, n. 2, p. 132-134, 2010.
OLIVEIRA, C. A. R. Influência de contaminantes ambientais na patogênese de doenças neurodegenerativas. 2019. Dissertação (Mestrado) - Faculdade de Medicina, Universidade da Beira Interior, Covilhã, 2019.
REIS, A. E. S. Um modelo matemático-computacional do estresse oxidativo na doença de Alzheimer. 2005. Dissertação (Mestrado) - Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2005.
REIS, A. E. S.; VIANNA, G. K.; BARRETO, F.; CARVALHO, L. A. V. A. Computational mathematical model of neuronal death caused by oxidative stress in Alzheimer’s disease. Lecture Notes in Computer Science, Berlin, v. 3991, n. 1, p. 842-845, 2006.
ROWAN, M. S.; NEYMOTIM, S.; LYTTON, W. W. Electrostimulation to reduce synaptic scaling driven progression of Alzheimer’s disease. Frontiers in computational neuroscience, Lausanne, v. 8, n. 39, p. 1-12, 2014.
SASIDHARAKURUP, H.; DIWAKAR, S. Computational modelling of TNFα related pathways regulated by neuroinflammation, oxidative stress and insulin resistance in neurodegeneration. Applied network Science, [Basel], v. 5, n. 72, p. 1-21, 2020.
SIQUEIRA, L. D. Estudo dos mecanismos de déficit cognitivo associado ao envelhecimento: o papel da resposta inflamatória. 2016. Dissertação (Mestrado) - Fundação Oswaldo Cruz, Rio de Janeiro, 2016.
SOCHOCKA, M.; DINIZ, B. S.; LESZEK, J. Inflammatory response in the CNS: friend or foe . Molecular neurobiology, Clifton, v. 54, n. 10, p. 8071-8089, 2017.
ŠKOVIEROVÁ, H.; VIDOMANOVÁ, E.; MAHMOOD, S.; SOPKOVÁ, J.; DRGOVÁ, A.; CERVENOVÁ, T.; HA LASOVÁ, E.; LEHOTSKÝ, J. The molecular and cellular effect of homocysteine metabolism imbalance on human health. International Journal of Molecular Sciences, Basel, v. 17, n. 10, p. 1733, 2016.
VIANNA, G. K. Um modelo neurocomputacional do papel do colesterol no desenvolvimento da doença de Alzheimer. 2005. Tese (Doutorado) - Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2005.
VIANNA, G. K.; REIS, A. E. S.; CARVALHO, L. A. V. Neurociência computacional: um enfoque matemático sobre a doença de Alzheimer. In: ESPERIDIÃO-ANTONIO, V. Neurociências: diálogos e interseções. Rio de Janeiro: Editora Rubio Ltda, 2012. p. 553-574.
YAN, S. D.; ZHU, H.; FU, J.; YAN, S. F.; ROHER, A.; TOURTELLOTE, W. W.; RAJAVASHISTH, T.; CHEN, X.; GODMAN, G. C.; STERN, D.; SCHMIDT, A. M. Amyloid-beta peptide - receptor for advanced glycation end product interaction elicits neuronal expression of macrophage-colony stimulating factor: a proinflammatory pathway in Alzheimer’s disease. Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA, Washington, v. 94, p. 5296- 5301, 1997.
ZHU, X.; PERRY, G.; MOREIRA, P. I., ALIEV, G., CASH, A. D., HIRAI, K., SMITH, M. A. Mitochondrial abnormalities and oxidative imbalance in Alzheimer disease. Journal of Alzheimer’s Disease, Amsterdam, v. 9, n. 2, p. 147- 153, 2006.
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Published
2021-06-02
How to Cite
Freitas, A. G. da S., Vianna, G. K., & Dias, C. M. (2021). Mathematical and computational modeling of the role of homocysteine in the oxidative process and its influence in neuronal degenerative diseases. Semina: Ciências Exatas E Tecnológicas, 42(1), 75–84. https://doi.org/10.5433/1679-0375.2021v42n1p75
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