Warfarin-induced vitamin K deficiency is associated with cognitive and behavioral perturbations, and alterations in brain sphingolipids in rats

Abstract

La Vitamine K (VK) est largement reconnue pour son rôle dans la coagulation sanguine toutefois, de plus en plus de travaux indiquent son implication dans la fonction cérébrale. La VK est requise pour l'activation de différentes protéines, par exemple la protéine Gas6, et la ménaquinone-4 (MK-4), le principal vitamère K dans le cerveau, est impliquée dans le métabolisme des sphingolipides. Dans un rapport précédent, nous avons montré qu'un régime alimentaire faible en VK tout au long de la vie était associé à des déficits cognitifs chez des rats âgés. La warfarine sodique est un puissant antagoniste de la VK qui agit en bloquant le cycle de la VK, provoquant un «déficit relatif de VK » au niveau cellulaire. À la lumière du rôle

émergent de la VK dans le cerveau, la warfarine pourrait représenter un facteur de risque pour la fonction cérébrale. Ce travail est donc pertinente en raison de la forte proportion d'adultes traîtés à la warfarine sodique. Dans la présente étude, 14 rats mâles Wistar ont été traités avec 14 mg de warfarine/kg /jour (dans l'eau potable) et des injections sous-cutanées de VK (85 mg/kg), 3x/sem, pendant 10 semaines. Quatorze rats témoins ont été traités avec de l'eau normale et injectés avec une solution saline. Les rats ont été soumis à différents tests comportementaux après quoi les niveaux de phylloquinone, MK-4, sphingolipides (cérébroside, sulfatide, sphingomyéline, céramide et gangliosides), et les sous-types de gangliosides (GT1b, GD1a, GM1, GD1b), ont été évalués dans différentes régions du cerveau. Comparativement aux rats du groupe contrôle, les rats traités à la warfarine présentaient des latences plus longues au test de la piscine de Morris (p <0,05) ainsi qu'une hypoactivité et un comportement exploratoire plus faible au test de « l’open field » (p <0,05). Le traitement par warfarine a également entraîné une diminution spectaculaire du niveau de MK-4 dans toutes les régions du cerveau (p <0,001), une altération des concentrations de sphingolipidiques, en particulier dans le cortex frontal et le mésencéphale

(p <0,05), et une perte de différences régionales sphingolipidiques, notamment pour les

gangliosides. Le traitement par warfarine a été associé à un niveau inférieur de GD1a dans l'hippocampe et un niveau supérieur de GT1b dans le cortex préfrontal et le striatum. En

conclusion, la déficience en VK induite par warfarine altère les niveaux de VK et sphingolipides dans le cerveau, avec de potentiels effets néfastes sur les fonctions cérébrales.

Vitamin K (VK) is widely known for its role in blood coagulation, however many studies suggest its involvement in brain function. VK is required for the activation of various cerebral proteins (e.g., Gas6) and menaquinone-4 (MK-4), the main K vitamer in brain, is involved in sphingolipid metabolism. Furthermore, life-long intake of a low VK diet has been associated with cognitive deficits in old rats. Warfarin (W) is a potent VK antagonist that acts by blocking the VK cycle causing a “relative VK deficiency” at the cellular level. In light of this and the emerging role of VK in brain, W could represent a risk factor for cerebral function. The finding of this study is important according to the large proportion of adults with thromboembolic diseases being treated with warfarin drugs. This study was conducted in a rat model where the impact of W was investigated with respect to cognition, behavior, and brain menaquinone-4 (MK-4) and sphingolipid status. Fourteen Wistar male rats were treated with 15 mg W/kg/d (in drinking water) and subcutaneous VK (85 mg/kg), 3X/wk, for 10 wks; 14 control rats were treated with normal water and injected with saline. At the end of the treatment period, rats were subjected to different behavioral tests, afterwhich their brains assessed for VK (phylloquinone and MK-4) and sphingolipids (gangliosides, ceramides, cerebrosides, sphingomyelin and sulfatides) and gangliosides subtypes (GT1b, GD1a, GM1, GD1b). Mean latencies to find the hidden platform were higher in the W compared to the control group (p<0.05) suggesting cognitive deficits as well as hypoactivity and lower exploratory behaviour in the open field test (p<0.05). Warfarin treatment also resulted in a dramatic decrease in MK-4 concentration in all brain regions (p<0.001), altered sphingolipid level, especially in frontal cortex and midbrain (p<0.05), and in a loss of sphingolipid regional differences, notably for gangliosides. W treatment was associated with lower GD1a in the hippocampus and higher GT1b in the striatum and prefrontal cortex. In conclusion, warfarin-induced VK deficiency alters VK and sphingolipid status in brain with potential detrimental effects on brain functions.