Multifunctional ligands for application in Alzheimer’s Disease: molecular modelling and biological evaluation

Projecte de recerca elaborat a partir d’una estada a la University of British Columbia, Canadà, entre 2010 i 2012 La malaltia d'Alzheimer (MA) representa avui la forma més comuna de demència en la població envellida. Malgrat fa 100 anys que va ser descoberta, encara avui no existeix cap tractament preventiu i/o curatiu ni cap agent de diagnòstic que permeti valorar quantitativament l'evolució d'aquesta malaltia. L'objectiu en el que s'emmarca aquest treball és contribuir a aportar solucions al problema de la manca d'agents terapèutics i de diagnosi, unívocs i rigorosos, per a la MA. Des del camp de la química bioinorgànica és fàcil fixar-se en l'excessiva concentració d'ions Zn(II) i Cu(II) en els cervells de malalts de MA, plantejar-se la seva utilització com a dianes terapèutica i, en conseqüència, cercar agents quelants que evitin la formació de plaques senils o contribueixin a la seva dissolució. Si bé aquest va ser el punt de partida d’aquest projecte, els múltiples factors implicats en la patogènesi de la MA fan que el clàssic paradigma d’ ¨una molècula, una diana¨ limiti la capacitat de la molècula de combatre aquesta malaltia tan complexa. Per tant, un esforç considerable s’ha dedicat al disseny d’agentsmultifuncionals que combatin els múltiples factors que caracteritzen el desenvolupament de la MA. En el present treball s’han dissenyat agents multifuncionals inspirats en dos esquelets moleculars ben establers i coneguts en el camp de la química medicinal: la tioflavina-T (ThT) i la deferiprona (DFP). La utilització de tècniques in silico que inclouen càlculs farmacocinètics i modelatge molecular ha estat un procés cabdal per a l’avaluació dels millors candidats en base als següents requeriments: (a) compliment de determinades propietats farmacocinètiques que estableixin el seu possible ús com a fàrmac (b) hidrofobicitat adequada per travessar la BBB i (c) interacció amb el pèptid Aen solució.

Social capabilities in Alzheimer’s patients

Patients with stage-I (very mild and mild) Alzheimer s disease were asked to participatein a Dictator Game, a type of game in which a subject has to decide how to allocate acertain amount of money between himself and another person. The game enables theexperimenter to examine the influence of social norms and social preferences on thedecision-making process. When the results of treatments involving Alzheimer s diseasepatients were compared with those of identical treatments involving patients with mildcognitive impairment or healthy control subjects, with similar ages and socialbackgrounds, no statistically significant difference was found. This finding suggests thatstage-I Alzheimer s disease patients may be as capable of making decisions involvingsocial norms and preferences as other individuals of their age. Whatever brain structuresare affected by the disease, they do not appear to influence, at this early stage, the neuralbasis for cooperation-enhancing social interactions.

Multiway Array Decomposition Analysis of EEGs in Alzheimer’s Disease

Methods for the extraction of features from physiological datasets are growing needs as clinical investigations of Alzheimer’s disease (AD) in large and heterogeneous population increase. General tools allowing diagnostic regardless of recording sites, such as different hospitals, are essential and if combined to inexpensive non-invasive methods could critically improve mass screening of subjects with AD. In this study, we applied three state of the art multiway array decomposition (MAD) methods to extract features from electroencephalograms (EEGs) of AD patients obtained from multiple sites. In comparison to MAD, spectral-spatial average filter (SSFs) of control and AD subjects were used as well as a common blind source separation method, algorithm for multiple unknown signal extraction (AMUSE). We trained a feed-forward multilayer perceptron (MLP) to validate and optimize AD classification from two independent databases. Using a third EEG dataset, we demonstrated that features extracted from MAD outperformed features obtained from SSFs AMUSE in terms of root mean squared error (RMSE) and reaching up to 100% of accuracy in test condition. We propose that MAD maybe a useful tool to extract features for AD diagnosis offering great generalization across multi-site databases and opening doors to the discovery of new characterization of the disease.

Coherency and sharpness measures by using ICA algorithms. An investigation for Alzheimer’s disease discrimination

In this paper, we present a comprehensive study of different Independent Component Analysis (ICA) algorithms for the calculation of coherency and sharpness of electroencephalogram (EEG) signals, in order to investigate the possibility of early detection of Alzheimer’s disease (AD). We found that ICA algorithms can help in the artifact rejection and noise reduction, improving the discriminative property of features in high frequency bands (specially in high alpha and beta ranges). In addition to different ICA algorithms, the optimum number of selected components is investigated, in order to help decision processes for future works.

Diagnosis of Alzheimer’s Disease from EEG by Means of Synchrony Measures in Optimized Frequency Bands

Several clinical studies have reported that EEG synchrony is affected by Alzheimer’s disease (AD). In this paper a frequency band analysis of AD EEG signals is presented, with the aim of improving the diagnosis of AD using EEG signals. In this paper, multiple synchrony measures are assessed through statistical tests (Mann–Whitney U test), including correlation, phase synchrony and Granger causality measures. Moreover, linear discriminant analysis (LDA) is conducted with those synchrony measures as features. For the data set at hand, the frequency range (5-6Hz) yields the best accuracy for diagnosing AD, which lies within the classical theta band (4-8Hz). The corresponding classification error is 4.88% for directed transfer function (DTF) Granger causality measure. Interestingly, results show that EEG of AD patients is more synchronous than in healthy subjects within the optimized range 5-6Hz, which is in sharp contrast with the loss of synchrony in AD EEG reported in many earlier studies. This new finding may provide new insights about the neurophysiology of AD. Additional testing on larger AD datasets is required to verify the effectiveness of the proposed approach.

Methylglyoxal Produced by Amyloid- Peptide-Induced Nitrotyrosination of Triosephosphate Isomerase Triggers Neuronal Death in Alzheimer’s Disease

Amyloid-β peptide (Aβ) aggregates induce nitro-oxidative stress, contributing to the characteristic neurodegeneration found in Alzheimer's disease (AD). One of the most strongly nitrotyrosinated proteins in AD is the triosephosphate isomerase (TPI) enzyme which regulates glycolytic flow, and its efficiency decreased when it is nitrotyrosinated. The main aims of this study were to analyze the impact of TPI nitrotyrosination on cell viability and to identify the mechanism behind this effect. In human neuroblastoma cells (SH-SY5Y), we evaluated the effects of Aβ42 oligomers on TPI nitrotyrosination. We found an increased production of methylglyoxal (MG), a toxic byproduct of the inefficient nitro-TPI function. The proapoptotic effects of Aβ42 oligomers, such as decreasing the protective Bcl2 and increasing the proapoptotic caspase-3 and Bax, were prevented with a MG chelator. Moreover, we used a double mutant TPI (Y165F and Y209F) to mimic nitrosative modifications due to Aβ action. Neuroblastoma cells transfected with the double mutant TPI consistently triggered MG production and a decrease in cell viability due to apoptotic mechanisms. Our data show for the first time that MG is playing a key role in the neuronal death induced by Aβ oligomers. This occurs because of TPI nitrotyrosination, which affects both tyrosines associated with the catalytic center.

Improving the Quality of EEG Data in Patients With Alzheimers Disease Using ICA

Does Independent Component Analysis (ICA) denature EEG signals? We applied ICA to two groups of subjects (mild Alzheimer patients and control subjects). The aim of this study was to examine whether or not the ICA method can reduce both group di®erences and within-subject variability. We found that ICA diminished Leave-One- Out root mean square error (RMSE) of validation (from 0.32 to 0.28), indicative of the reduction of group di®erence. More interestingly, ICA reduced the inter-subject variability within each group (¾ = 2:54 in the ± range before ICA, ¾ = 1:56 after, Bartlett p = 0.046 after Bonfer- roni correction). Additionally, we present a method to limit the impact of human error (' 13:8%, with 75.6% inter-cleaner agreement) during ICA cleaning, and reduce human bias. These ¯ndings suggests the novel usefulness of ICA in clinical EEG in Alzheimer's disease for reduction of subject variability.

A Theta-Band EEG Based Index for Early Diagnosis of Alzheimer’s Disease

Despite recent advances, early diagnosis of Alzheimer’s disease (AD) from electroencephalography (EEG) remains a difficult task. In this paper, we offer an added measure through which such early diagnoses can potentially be improved. One feature that has been used for discriminative classification is changes in EEG synchrony. So far, only the decrease of synchrony in the higher frequencies has been deeply analyzed. In this paper, we investigate the increase of synchrony found in narrow frequency ranges within the θ band. This particular increase of synchrony is used with the well-known decrease of synchrony in the band to enhance detectable differences between AD patients and healthy subjects. We propose a new synchrony ratio that maximizes the differences between two populations. The ratio is tested using two different data sets, one of them containing mild cognitive impairment patients and healthy subjects, and another one, containing mild AD patients and healthy subjects. The results presented in this paper show that classification rate is improved, and the statistical difference between AD patients and healthy subjects is increased using the proposed ratio.

Funcions de les molècules associades a la mielina i la proteïna priònica cel•lular (PrPc) en neurodegeneració (Malaltia d’Alzheimer) i neuroinflamació (Esclerosi Múltiple)

Les proteïnes associades a la mielina (MAIS), Nogo-A, MAG i OMgp, són molècules que presenten una capacitat inhibitòria molt important per el recreixement axonal i la neuroreparació després de lesió. No obstant des de fa anys les seves funcions han estat ampliades i s’han involucrat en diferents processos degeneratius del sistema nerviós o en processos neuroinflamatoris del sistema nerviós central i el perifèric com ara l'Escleresi Múltiple (MS). La base neurobiològica d’indicadors moleculars que són responsables del dany axonal en MS segueixen sense estar plenament descrits. Recentment s’ha publicat que el mecanisme de senyalització Nogo-A pot regir els primers canvis de la desmielinització immunomediada del sistema nerviós central en el model animal de MS, l’encefalomielitis autoimmune experimental (EAE). De la mateixa forma la proteïna priònica cel•lular és una proteïna que s’ha associat majoritàriament a malalties espongiformes, però que recentment s’ha vinculat (no sense controvèrsia) amb la seva possible relació amb la Malaltia d'Alzheimer (AD), ja que seria capaç de reclutar els oligòmers d’Aβ (ADDLs), els quals correlacionen millor amb el grau de demència, i amb els que interacciona directament, actuant així com un possible mediador de la fosforilació de tau en la malaltia. No obstant, les funcions de les MAIS i de la PrPc en aquests models de la malaltia no estan clarament definits i, per altra banda, es desconeixen els mecanismes de senyalització implicats, no descartant de forma clara el component neural i l’immune.

Vitamin E but not 17B-estradiol protect against vascular toxicity induced by B-amyloid wild type and the Dutch amyploid variant

Amyloid β-peptide (Aβ) fibril deposition on cerebral vessels produces cerebral amyloid angiopathy that appears in the majority of Alzheimer's disease patients. An early onset of a cerebral amyloid angiopathy variant called hereditary cerebral hemorrhage with amyloidosis of the Dutch type is caused by a point mutation in Aβ yielding AβGlu22→Gln. The present study addresses the effect of amyloid fibrils from both wild-type and mutated Aβ on vascular cells, as well as the putative protective role of antioxidants on amyloid angiopathy. For this purpose, we studied the cytotoxicity induced by Aβ1–40 Glu22→Gln and Aβ1–40 wild-type fibrils on human venule endothelial cells and rat aorta smooth muscle cells. We observed that AβGlu22→Gln fibrils are more toxic for vascular cells than the wild-type fibrils. We also evaluated the cytotoxicity of Aβ fibrils bound with acetylcholinesterase (AChE), a common component of amyloid deposits. Aβ1–40 wild-type–AChE fibrillar complexes, similar to neuronal cells, resulted in an increased toxicity on vascular cells. Previous reports showing that antioxidants are able to reduce the toxicity of Aβ fibrils on neuronal cells prompted us to test the effect of vitamin E, vitamin C, and 17β-estradiol on vascular damage induced by Aβwild-type and AβGlu22→Gln. Our data indicate that vitamin E attenuated significantly the Aβ-mediated cytotoxicity on vascular cells, although 17β-estradiol and vitamin C failed to inhibit the cytotoxicity induced by Aβ fibrils.

Stable complexes involving acetylcholinesterase and amyloid-ß-peptide change the biochemical properties of the enzyme and increase the neurotoxicity of Alzheimer's fibrils

Brain acetylcholinesterase (AChE) forms stable complexes with amyloid-beta peptide (Abeta) during its assembly into filaments, in agreement with its colocalization with the Abeta deposits of Alzheimer's brain. The association of the enzyme with nascent Abeta aggregates occurs as early as after 30 min of incubation. Analysis of the catalytic activity of the AChE incorporated into these complexes shows an anomalous behavior reminiscent of the AChE associated with senile plaques, which includes a resistance to low pH, high substrate concentrations, and lower sensitivity to AChE inhibitors. Furthermore, the toxicity of the AChE-amyloid complexes is higher than that of the Abeta aggregates alone. Thus, in addition to its possible role as a heterogeneous nucleator during amyloid formation, AChE, by forming such stable complexes, may increase the neurotoxicity of Abeta fibrils and thus may determine the selective neuronal loss observed in Alzheimer's brain.

Estudi sobre la qualitat de vida de les persones amb demència ateses a la Unitat d'avaluació de deteriorament cognitiu de l'Hospital de la Santa Creu

OBJECTIU: determinar la qualitat de vida de les persones amb demència ateses en una unitat avaluadora de deteriorament cognitiu. MÈTODE: estudi descriptiu transversal amb una mostra consecutiva no probabilística, formada per 42 persones amb demència tipus Alzheimer lleu o moderada i els seus cuidadors. La Qualitat de Vida (QV) es va avaluar amb el qüestionari QoL-AD (Quality of Life Alzheimer’s Disease) en les versions per al pacient (QoL-ADp) i per al cuidador (QoL-ADc). RESULTATS: la mitjana de puntuació del QoL-ADp va ser de 35,38 punts (DE = 5,24) i del QoL-Adc, de 30,60 (DE 5,33). La diferència entre aquests resultats és significativa (p&0,001). Els pacients amb simptomatologia depressiva i els seus cuidadors van puntuar significativament més baix el QoL-AD (p&0,001). En les freqüències per ítems del QoL-ADp s’observa que: més del 75% van valorar com a bona/excel·lent les condicions de vida, família, matrimoni/relació estreta, vida social, situació financera i vida en general; el 61% valoraren bona/excel·lent la capacitat per realitzar tasques a casa; prop del 50% pensava que l’estat d’ànim, l’energia, la salut física, la capacitat per fer coses per diversió i la visió de si mateixos era dolenta/regular, i el 85,7% opinava que la seva memòria era dolenta/regular. CONCLUSIONS: els resultats obtinguts en el QoL-AD no difereixen dels obtinguts en altres investigacions. Suggereixen que les intervencions que genera l’avaluació de la QV en la pràctica clínica inclouen aspectes centrats pròpiament en la malaltia i aspectes vinculats amb les relacions socials.

Revisió sobre l’eficàcia de les intervencions dirigides a cuidadors informals de malalts amb demència per a reduir els nivells de morbiditat psicològica

Revisió sobre l’eficàcia de les intervencions dirigides a cuidadorsinformals de malalts amb demència per a reduir els nivells de morbiditatpsicològicaAntecedentsL’envelliment de la població està relacionat amb l’augment de la prevalença dedemències tals com la malaltia d’Alzheimer. El caràcter progressiu, incapacitanti irreversible de la malaltia d’Alzheimer comporta dependència i demanda,obligant l’aparició d’un cuidador informal per cobrir les necessitats del malalt.Amb l’evolució de la malaltia, augmenta l’exigència de les cures i el cuidador esveu en risc de patir alteracions a qualsevol nivell, principalment a nivellpsicològic.Objectius1. Avaluar l’efectivitat de les intervencions dirigides a cuidadors informals depersones amb demència per a reduir la morbiditat psicològica, segons latipologia de les intervencions i els seus components.2. Avaluar l’efectivitat de les intervencions dirigides a cuidadors informals depersones amb demència per a reduir la morbiditat psicològica, segons lescaracterístiques sociodemogràfiques del cuidador i la persona que rep lescures, el tipus de càrrega i els instruments de mesura.Material i mètodesEs va realitzar una revisió bibliogràfica en les bases de dades: MEDLINEPubMed, CSIC-IME, CUIDEN i Biblioteca Cochrane Plus sobre lesintervencions dirigides a cuidadors informals de demència o Alzheimerd’estudis publicats entre el gener de 2002 i febrer de 2013. Els criteris d’inclusióvan ser: cuidadors informals que convisquessin amb la persona a qui donen lescures i sense remuneració econòmica, persones amb demència o Alzheimer noinstitucionalitzades, intervencions comparades entre un grup experimental i ungrup control, prioritat per revisions sistemàtiques i metanàlisis. La mostra finalla van composar 7 estudis.ResultatsLes diferents intervencions analitzades van mostrar dades estadísticamentsignificatives tot i produir efectes discrets en les diferents variables demorbiditat psicològica. Les intervencions psicoeducatives i les intervencionsdirigides als pacients van resultar efectives en la millora de la sensació debenestar i la simptomatologia del malalt. Les intervencions psicològiques vanincidir en la sobrecàrrega i la depressió. Les intervencions de suport vanproduir un augment dels coneixements, habilitats i de la xarxa social delcuidador. El dia de descans va disminuir l’estrès, l’ansietat i la càrrega objectivaperò els efectes van ser a curt termini. Les intervencions múltiplesestructurades van mostrar una disminució del risc d’institucionalització. Lesintervencions centrades en la resolució de problemes, superiors a 6 sessions oaquelles que havien realitzat seguiment, van mostrar efectes a llarg termini finsals 12 mesos. Altres intervencions pràctiques com les realitzades al domicili oamb tecnologia, no van mostrar suficient evidència científica. El sexe i l’edat delcuidador així com la relació de parentesc amb el malalt van mostrar diferènciesen els efectes de les intervencions.ConclusionsLes intervencions s’han de planificar en funció de les necessitats del cuidadorja que no hi ha cap intervenció que incideixi en totes les variables de morbiditatpsicològica. La variabilitat de tipologia i composició de les intervencions, lesdiferències sociodemogràfiques del cuidador i la persona que rep les cures i lescaracterístiques dels estudis influeixen en l’heterogeneïtat de resultats de larevisió. Aquests fets limiten la contundència de resultats pel que cal seguirinvestigant

Un programa psicosocial: programa psicoestimulatiu integral (P.P.I.) amb persones afectades de malaltia d' Alzheimer

L'any 2011 la malaltia d'Alzheimer es situava com la quarta causa de mort més freqüent amb un augment de fins a 11.907, més del doble de morts que l'any 2000 (INE). Aquestes dades demostren l'augment del número de persones que pateixen una demència a mesura que envelleixen i una de les explicacions és l'augment de l'esperança de vida. Per aquest motiu l'estudi de la qualitat de vida ha adquirit una gran importància des de la dècada dels 90. La qualitat de vida és un concepte especialment subjectiu pel fet que cada persona la viu segons la pròpia percepció de salut i benestar i el grau d'adaptació a l'entorn que l'envolta. Per aquest motiu es planteja un programa de psicoestimulació integral (PPI) centrat en les individualitats de cada persona: valors, interessos, història ocupacional..., des de la filosofia de la Teràpia Ocupacional. El projecte està elaborat mitjançant la metodologia qualitativa utilitzant l'enquesta en profunditat semi-estructurada per a realitzar les entrevistes i obtenir la informació principal a l'inici i al final del programa juntament amb tota la informació que s'obtingui de l'observació participant del dia a dia de cada un dels professionals per tal d'estudiar fins a quin punt aquesta atenció centrada en la persona contribueix a millorar la qualitat de vida de les persones afectades de Malaltia d'Alzheimer que reben tractaments no farmacològics com el proposat en aquest projecte. Com a tot estudi es poden trobar alguns factors condicionants com pot ser l'evolució pròpia de la malaltia amb les conseqüències negatives que això comporta i/o el número de participants que formen la mostra.

Estudi del procés de neurodegeneració

Les anomenades malalties neurodegeneratives tenen una simptomatologia i unes manifestacions clíniques molt diferents entre elles. No obstant, totes elles convergeixen en el mateix procés final, la neurodegeneració, que es manifestarà en diferents localitzacions o tipus cel·lulars del sistema nerviós. Nosaltres, plantegem la hipòtesi de que els processos moleculars i cel·lulars subjacents a la neurodegeneració són comuns per totes elles. Després de dur a terme un procés de selecció, es decideix treballar amb la malaltia de Parkinson, la d’Alzheimer, l’Esclerosi lateral amiotròfica i l’esclerosi múltiple. Hem pogut determinar que hi ha set processos moleculars o cel·lulars que estan associats al procés de neurodegeneració i que són comuns a totes elles. Havent-les estudiat per separat s’observa que el procés de neurodegeneració consisteix en una fallada en cadena de diferents sistemes moleculars i cel·lulars que tenen com a punt d’origen l’estrès oxidatiu. A aquest estrès s’hi pot arribar de diferents maneres. Una d’elles és l’exposició excessiva a certs metalls, que provoca la pèrdua dels sistemes antioxidants cel·lulars. Degut a això, els mitocondris reben un impacte oxidatiu massa gran i comencen a fallar. El fet que aquest orgànul actuï com a tampó del calci intracel·lular en provoca la seva desregulació, alterant d’aquesta manera el senyal nerviós. En resposta a l’estrès oxidatiu i tèrmic que genera la disfunció mitocondrial, s’activen les Proteïnes de Xoc Tèrmic (HSP) que actuant de citocines i presentadores d’antígens, inicien la resposta immunològica contra les cèl·lules danyades. Paral·lelament, s’observa un increment de la permeabilitat de la barrera hematoencefàlica degut a la pèrdua de les adhesions cel·lulars estretes per l’alta presència d’espècies reactives. Com a conseqüència de l’afebliment o el trencament de la barrera hematoencefàlica, es pot produir una entrada al SNC de diferents substàncies neurotòxiques i de cèl·lules del sistema immunitàri que, en condicions normals tenen l’accés restringit. Juntament amb aquestes cèl·lules immunològiques, també s’activen les cèl·lules del sistema immunitari innat residents al cervell, la micròglia, i totes elles secreten citocines proinflamatòries que contribueixen al procés de neurodegeneració. Nosaltres presentem els mecanismes pels quals aquesta inflamació, lluny d’atenuar-se, es cronifica per l’acció de certs bucles de retroalimentació positiva. Les diferents peculiaritats de cada malaltia contribueixen en aquest procés de diferents maneres, com és el cas dels pèptids β-amilides en la malaltia d’Alzheimer, l’α-sinucleina en el Parkinson, la superòxid dismutasa (SOD) en l’esclerosi lateral amiotròfica, o l’infiltració de leucòcits al cervell degut a la resposta autoimmune de l’esclerosi múltiple.Deixant de banda aquestes diferències, si el procés és comú entre totes elles, l’estudi a fons d’aquest procés hauria de poder permetre identificar dianes tarapèutiques que siguin comunes per les quatre malalties.