Metabolic signatures of human Alzheimer's disease (AD): H-1 NMR analysis of the polar metabolome of post-mortem brain tissue

Brain tissue from so-called Alzheimer's disease (AD) mouse models has previously been examined using H-1 NMR-metabolomics, but comparable information concerning human AD is negligible. Since no animal model recapitulates all the features of human AD we undertook the first H-1 NMR-metabolomics investigation of human AD brain tissue. Human post-mortem tissue from 15 AD subjects and 15 age-matched controls was prepared for analysis through a series of lyophilised, milling, extraction and randomisation steps and samples were analysed using H-1 NMR. Using partial least squares discriminant analysis, a model was built using data obtained from brain extracts. Analysis of brain extracts led to the elucidation of 24 metabolites. Significant elevations in brain alanine (15.4 %) and taurine (18.9 %) were observed in AD patients (p ≤ 0.05). Pathway topology analysis implicated either dysregulation of taurine and hypotaurine metabolism or alanine, aspartate and glutamate metabolism. Furthermore, screening of metabolites for AD biomarkers demonstrated that individual metabolites weakly discriminated cases of AD [receiver operating characteristic (ROC) AUC <0.67; p < 0.05]. However, paired metabolites ratios (e.g. alanine/carnitine) were more powerful discriminating tools (ROC AUC = 0.76; p < 0.01). This study further demonstrates the potential of metabolomics for elucidating the underlying biochemistry and to help identify AD in patients attending the memory clinic

Retinal microvascular network attenuation in Alzheimer's disease

INTRODUCTION:Cerebral small-vessel disease has been implicated in the development of Alzheimer’sdisease (AD). The retinal microvasculature enables non-invasive visualization andevaluation of the systemic microcirculation. We evaluated retinal microvascular parametersin a case-control study of AD patients and cognitively-normal controls. 

METHODS:Retinal images were computationally analyzed and quantitative retinal parameters (caliber,fractal dimension, tortuosity, and bifurcation) measured. Regression models were used tocompute odds ratios (OR) and confidence intervals (CI) for AD with adjustment forconfounders. 

RESULTS:Retinal images were available in 213 AD participants and 294 cognitively-normal controls.Persons with lower venular fractal dimension (OR per standard deviation [SD] increase, 0.77[CI: 0.62–0.97]) and lower arteriolar tortuosity (OR per SD increase, 0.78 [CI: 0.63–0.97])were more likely to have AD following appropriate adjustment. 
DISCUSSION:Patients with AD have a sparser retinal microvascular network and retinal microvascularvariation may represent similar pathophysiological events within the cerebralmicrovasculature of patients with AD.

Plasma Clusterin Levels and the rs11136000 Genotype in Individuals with Mild Cognitive Impairment and Alzheimer's Disease

Aim: Substantial evidence links atherosclerosis and Alzheimer's disease (AD). Apolipoproteins, such as apolipoprotein E, have a causal relationship with both diseases. The rs11136000 SNP within the CLU gene, which encodes clusterin (apolipoprotein J), is also associated with increased AD risk. The aim of this study was to investigate the relationship between plasma clusterin and the rs11136000 genotype in mild cognitive impairment (MCI) and AD.

Methods: Plasma and DNA samples were collected from control, MCI and AD subjects (n=142, 111, 154, respectively). Plasma clusterin was determined by ELISA and DNA samples were genotyped for rs11136000 by TaqMan assay.

Results: Plasma clusterin levels were higher in MCI and AD subjects vs. controls (222.3 +/- 61.3 and 193.6 +/- 58.2 vs. 178.6 +/- 52.3 mu g/ml, respectively; p

Conclusion: This study examined control, MCI and AD subjects, identifying for the first time that plasma clusterin levels were influenced, not only by the presence of AD, but also the transitional stage of MCI, while rs11136000 genotype only influenced plasma clusterin levels in the control group. The increase in plasma clusterin in MCI and AD subjects may occur in response to the disease process and would be predicted to increase binding capacity for amyloid-beta peptides in plasma, enhancing their removal from the brain.

Convergent genetic and expression data implicate immunity in Alzheimer's disease

Background: Late-onset Alzheimer's disease (AD) is heritable with 20 genes showing genome-wide association in the International Genomics of Alzheimer's Project (IGAP). To identify the biology underlying the disease, we extended these genetic data in a pathway analysis.

Methods: The ALIGATOR and GSEA algorithms were used in the IGAP data to identify associated functional pathways and correlated gene expression networks in human brain.

Results: ALIGATOR identified an excess of curated biological pathways showing enrichment of association. Enriched areas of biology included the immune response (P = 3.27 X 10(-12) after multiple testing correction for pathways), regulation of endocytosis (P = 1.31 X 10(-11)), cholesterol transport (P = 2.96 X 10(-9)), and proteasome-ubiquitin activity (P = 1.34 X 10(-6)). Correlated gene expression analysis identified four significant network modules, all related to the immune response (corrected P = .002-.05).

Conclusions: The immime response, regulation of endocytosis, cholesterol transport, and protein ubiquitination represent prime targets for AD therapeutics. (C) 2015 Published by Elsevier Inc. on behalf of The Alzheimer's Association.

Age-Related Macular Degeneration-Associated Genes in Alzheimer Disease

Objectives: Given the clinical and pathological similarities between age-relatedmacular degeneration (AMD) and Alzheimer disease (AD), to assess whether AMDassociatedsingle nucleotide polymorphisms (SNPs), including those from complementrelatedgenes, are associated with AD. 
Design: A case-control association study-typedesign. 
Setting: A UK tertiary care dementia clinic. 
Participants: 322 cognitivelynormal participants and 258 cases with a clinical diagnosis of AD.
Measurements:Polymorphisms in the following genes were studied: CFH, ARMS2, C2/CFB, C3, CFI/PLA2G12a, SERPING1, TLR3, TLR4, CRP, APOE, and TOMM40. Haplotypes were analysedfor CFH, TOMM40, and APOE. Univariate analysis was performed for each geneticchange and case-comparator status, and then correction for multiple testing performed. 
Results: The presence of an ε4 APOE allele was significantly associated with AD. Noassociation was evident between CFH SNPs or haplotypes, or other AMD-associated SNPstested, and AD. The exceptions were TOMM40 SNPs, which were associated with AD evenafter correction for multiple comparisons. The associations disappeared, however, whenentered into a regression model including APOE genotypes. 
Conclusions: The resultsfor most SNPs tested, as well as CFH haplotypes, are novel. The functional effects ofabnormal complement activity in AD’s pathogenesis may be contradictory, butmethodological reasons may underlie the lack of association—for example, geneticchanges other than SNPs being involved.

Alzheimer's disease-like pathology has transient effects on the brain and blood metabolome

The pathogenesis of Alzheimer's disease (AD) is complex involving multiple contributing factors. The extent to which AD pathology impacts upon the metabolome is still not understood, nor is it known how disturbances change as the disease progresses. For the first time we have profiled longitudinally (6, 8, 10, 12 and 18 months) both the brain and plasma metabolome of APP/PS1 double transgenic and wild type (WT) mice. A total of 187 metabolites were quantified using a targeted metabolomics methodology. Multivariate statistical analysis produced models that distinguished APP/PS1 from WT mice at 8, 10 and 12 months.Metabolic pathway analysis found perturbed polyamine metabolism in both brain and blood plasma. There were other disturbances in essential amino acids,branched chain amino acids and also in the neurotransmitter serotonin.Pronounced imbalances in phospholipid and acylcarnitine homeostasis was evident in two age groups. AD-like pathology therefore impacts greatly on both the brain and blood metabolomes, although there appears to be a clear temporal sequence whereby changes to brain metabolites precede those in blood.

Microneedle-mediated delivery of donepezil: Potential for improved treatment options in Alzheimer's disease

Transdermal drug delivery is an attractive route of drug administration, however there are relatively few marketed transdermal products. To increase delivery across the skin, strategies to enhance skin permeability are widely investigated, with microneedles demonstrating particular promise. Hydrogel-forming microneedles are inserted into the skin, and following dissolution of a drug loaded reservoir and movement of the drug through the created channels, the microneedle array is removed intact, and can then be readily and safely discarded. This study presents the formulation and evaluation of an integrated microneedle patch containing the Alzheimer's drug, donepezil hydrochloride. The integrated patch consisted of hydrogel-forming microneedles in combination with a donepezil hydrochloride containing film. Formulation and characterisation of plasticised films, prepared from poly(vinylpyrrolidone) or poly (methyl vinyl ether co-maleic anhydride/acid) (Gantrez(®)) polymers, is presented. Furthermore, in vitro permeation of donepezil hydrochloride across neonatal porcine skin from the patches was investigated, with 854.71 μg ± 122.71 μg donepezil hydrochloride delivered after 24 h, using the optimum patch formulation. Following administration of the patch to an animal model, plasma concentrations of 51.8 ± 17.6 ng/mL were obtained, demonstrating the success of this delivery platform for donepezil hydrochloride.

Wide-ranging alterations in the brain fatty acid complement of subjects with late Alzheimer's disease as detected by GC-MS

Disturbed lipid metabolism is a well-established feature of human Alzheimer's disease (AD). The present study used gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS) analysis of fatty acid methyl esters (FAMES) to profile all detectable fatty acid (FA) species present in post-mortem neocortical tissue (Brodmann 7 region). Quantitative targeted analysis was undertaken from 29 subjects (n=15 age-matched controls; n=14 late-stage AD). GC-MS analysis of FAMES detected a total of 24 FAs and of these, 20 were fully quantifiable. The results showed significant and wide ranging elevations in AD brain FA concentrations. A total of 9 FAs were elevated in AD with cis-13,16-docosenoic acid increased most (170%; P=0.033). Intriguingly, docosahexanoic acid (DHA; C22:6) concentrations were elevated (47%; P=0.018) which conflicts with the findings of others (unaltered or decreased) in some brain regions after the onset of AD. Furthermore, our results appear to indicate that subject gender influences brain FA levels in AD subjects (but not in age-matched control subjects). Among AD subjects 7 FA species were significantly higher in males than in females. These preliminary findings pinpoint FA disturbances as potentially important in the pathology of AD. Further work is required to determine if such changes are influenced by disease severity or different types of dementia.

Aß biology and its contribution to Alzheimer's disease

A doença de Alzheimer (DA) é uma desordem neurodegenerativa progressiva patologicamente caracterizada pela presença de placas de amilóide (placas senis) insolúveis e também pela presença de tranças neurofibrilhares,formadas pela proteína Tau hiperfosforiladada. O principal constituinte das placas senis é o peptídeo beta-amilóide (Ab), que deriva do processamento proteolítico da proteína precursora de amilóide de Alzheimer (APP). Embora Ab exista como um agregado pouco solúvel nas placas senis, ele é secretado pelas células como uma molécula solúvel. O Ab “per se” pode afectar o metabolismo da APP. Alguns autores sugerem que o Ab exerce o seu efeito alterando o processamento ou catabolismo da APP, outros sugerem que ele também induz a transcrição da APP, onde aumentando os níveis da APP pode estar a contribuir para a sua própria produção (mecanismo de “feedback” positivo). Assim sendo, torna-se difícil consolidar todas estas observações e identificar as potenciais funções fisiológicas do Ab “in vivo”, ou as consequências da sua produção. Neste trabalho caracterizaram-se os efeitos do Ab no metabolismo da APP. Os nossos estudos revelaram que um dos mecanismos induzidos pelo Ab é a acumulação intracelular do fragmento neuroprotector sAPP (isAPPa) em estruturas com características vesiculares associadas ao citosqueleto. Estudos adicionais em culturas primárias revelaram que o Ab estava a exercer o seu efeito ao nível da secreção vesicular, provavelmente interferindo com o transporte de APP/sAPP ao longo da rede do citosqueleto. Esta hipótese é sustentada pelo facto do Ab estar a afectar a estabilidade e a polimerização de proteínas envolvidas na dinâmica do citosqueleto. Contrariamente a publicações anteriores o Ab não induziu a transcrição da APP, na verdade em culturas primárias neuronais foi observado uma diminuição nos níveis de expressão da APP. Isto foi acompanhado por um aumento nos fragmentos C-terminais da APP (CTFs) e uma diminuição na localização nuclear do seu domínio intracelular (AICD), sugerindo alterações na sinalização nuclear da APP. O Ab pode afectar outras vias de sinalização, particularmente alterando o balanço entre as actividades das proteínas cinases e fosfatases, o que pode ter consequências para o desenvolvimento da doença. Os dados obtidos indicam que o Ab é capaz de inibir a actividade da proteína fosfatase1, a sua importância numa perspectiva de futuras terapias é discutida. Devido à relevância da agregação do Ab para a sua toxicidade, a formação de complexos com proteínas que promovem a sua desagregação/degradação e o seu efeito no processamento da APP foi avaliado. Na presença destes complexos observou-se uma reversão da acumulação isAPP, demonstrando o potencial terapêutico destas proteínas como moduladores do metabolismo da APP. Este trabalho permitiu compreender melhor os mecanismos envolvidos nos efeitos do Ab no processamento da APP e descobrir algumas moléculas que podem ser relevantes numa perspectiva de diagnóstico e terapia na DA.

O efeito do stress celular na proteína precursora de amilóide de Alzheimer = The effect of cellular stress on the Alzheimer's amyloid precursor protein

A proteína precursora de amilóide de Alzheimer (APP) é um factor chave na doença de Alzheimer (AD). Essencialmente o processamento da APP resulta na produção de Abeta, o peptídeo tóxico depositado nas placas de amilóide dos indivíduos com AD. Ainda permanece por esclarecer se o processamento da APP é afectado sob condições de stress celular, potencialmente aumentando a quantidade de Abeta produzida. Além disso, o stress celular pode induzir alterações moleculares, associadas à AD, que podem representar marcadores moleculares úteis para o diagnóstico da AD. Com estas questões em mente, procurámos identificar alterações, em resposta ao stress celular, no processamento da APP e na expressão de outras proteínas. Nestes estudos de monitorização considerámos que a fosforilação proteica anormal e o stress oxidativo podem contribuir para a condição patológica. Assim, investigámos o processamento da APP dependente da fosforilação durante o stress celular. Os dados obtidos confirmam que a secreção da APP é reduzida em situações de stress, e que o efeito é idêntico em linhas celulares de tipo neuronal e não neuronal. Os resultados obtidos revelam que o PMA, mesmo em situações de stress (azida de sódio 1 mM) pode afectar o processamento da APP, aumentando a produção de sAPP (o fragmento secretado após o processamento de APP) que pode potencialmente reduzir a produção de Abeta. A hipótese de afectar a produção de Abeta dependente da fosforilação, que por sua vez pode ter relevância num quadro clínico, mantém-se mesmo em condições de stress. Os resultados revelaram que a indução de sAPP, após a adição de ésteres de forbol, ou ácido ocadeíco, em condições de stress não é idêntica. Em contraste, sob condições controlo, tanto os ésteres de forbol como o ácido ocadeíco produzem o mesmo efeito em termos da produção de sAPP. Aparentemente estas duas vias podem ser dissociadas em condições de stress, o que de algum modo pode reflectir processamento alterado da APP em condições adversas. Nas experiências em que se analisou a expressão de outros potenciais marcadores moleculares, foram detectadas alterações nos níveis de expressão de várias proteínas. Estes marcadores moleculares representam alvos interessantes para futura validação e potenciais candidatos para um diagnóstico molecular na AD. As proteínas já identificadas são importantes do ponto de vista da transdução de sinais, e incluem a PP1, a HSP70, a PARP e a própria APP.

Identification of protein complexes in Alzheimer's disease

A Doença de Alzheimer (AD) é a maior doença neurodegenerativa a nível mundial, e a principal causa de demência na população idosa. O processamento da proteína precursora de amilóide (APP) pelas β- e g- secretases origina o peptídeo Aβ, que agrega em oligómeros neurotóxicos e em placas senis. Estes são eventos-chave na patogénese da DA que levam à rutura da neurotransmissão sináptica, morte neuronal e inflamação neuronal do hipocampo e córtex cerebral, causando perda de memória disfunção cognitiva geral. Apesar dos grandes avanços no conhecimento do papel do processamento da APP na DA, a sua função fisiológica ainda não foi totalmente elucidada. Os mapas de interações proteína-proteína (PPI) humanos têm desempenhado um papel importante na investigação biomédica, em particular no estudo de vias de sinalização e de doenças humanas. O método dois-híbrido em levedura (YTH) consiste numa plataforma para a produção rápida de redes de PPI em larga-escala. Neste trabalho foram realizados vários rastreios YTH com o objetivo de identificar proteínas específicas de cérebro humano que interagissem com a APP, ou com o seu domínio intracelular (AICD), tanto o tipo selvagem como com os mutantes Y687F, que mimetizam o estado desfosforilado do resíduo Tyr-687. De facto, a endocitose da APP e a produção de Aβ estão dependentes do estado de fosforilação da Tyr-687. Os rastreios YTH permitiram assim obter de redes proteínas que interagem com a APP, utilizando como “isco” a APP, APPY687F e AICDY687F. Os clones positivos foram isolados e identificados através de sequenciação do cDNA. A maior parte dos clones identificados, 118, correspondia a sequências que codificam para proteínas conhecidas, resultando em 31 proteínas distintas. A análise de proteómica funcional das proteínas identificadas neste estudo e em dois projetos anteriores (AICDY687E, que mimetiza a fosforilação, e AICD tipo selvagem), permitiram avaliar a relevância da fosforilação da Tyr-687. Três clones provenientes do rastreio YTH com a APPY687F foram identificados como um novo transcrito da proteína Fe65, resultante de splicing alternativo, a Fe65E3a (GenBank Accession: EF103274), que codifica para a isoforma p60Fe65. A p60Fe65 está enriquecida no cérebro e os seus níveis aumentam durante a diferenciação neuronal de células PC12, evidenciando o potencial papel que poderá desempenhar na patologia da DA. A RanBP9 é uma proteína nuclear e citoplasmática envolvida em diversas vias de sinalização celulares. Neste trabalho caracterizou-se a nova interação entre a RanBP9 e o AICD, que pode ser regulada pela fosforilação da Tyr-687. Adicionalmente, foi identificada uma nova interação entre a RanBP9 e a acetiltransferase de histonas Tip60. Demonstrou-se ainda que a RanBP9 tem um efeito de regulação inibitório na transcrição mediada por AICD, através da interação com a Tip60, afastando o AICD dos locais de transcrição ativos. O estudo do interactoma da APP/AICD, modelado pela fosforilação da Tyr-687, revela que a APP poderá estar envolvida em novas vias celulares, contribuindo não só para o conhecimento do papel fisiológico da APP, como também auxilia a revelar as vias que levam à agregação de Aβ e neurodegeneração. A potencial relevância deste trabalho relaciona-se com a descoberta de algumas interações proteicas/vias de sinalização que podem que podem ser relevantes para o desenvolvimento de novas estratégias terapêuticas na DA.

Synthesis of new Aβ-ligands useful in diagnosis of Alzheimer's disease

Alzheimer’s disease is a chronic progressive neurodegenerative disease and is the most common form of dementia (estimated 50−60% of all cases), associated with loss of memory (in particular episodic memory), cognitive decline, and behavioural and physical disability, ultimately leading to death. Alzheimer’s disease is a complex disease, mostly occurring sporadically with no apparent inheritance and being the age the main risk factor. The production and accumulation of amyloid-beta peptide in the central nervous system is a key event in the development of Alzheimer’s disease. This project is devoted to the synthesis of amyloid-beta ligands, fluorophores and blood brain barrier-transporters for diagnosis and therapy of Alzheimer’s disease. Different amyloid-beta ligands will be synthesized and their ability to interact with amyloid-beta plaques will be studied with nuclear magnetic resonance techniques and a process of lead optimization will be performed. Many natural and synthetic compounds able to interact as amyloid-beta ligands have been identified. Among them, a set of small molecules in which aromatic moieties seem to play a key role to inhibit amyloid-beta aggregation, in particular heteroaromatic polycyclic compounds such as tetracyclines. Nevertheless tetracyclines suffer from chemical instability, low water solubility and possess, in this contest, undesired anti-bacterial activity. In order to overcome these limitations, one of our goals is to synthesize tetracyclines analogues bearing a polycyclic structure with improved chemical stability and water solubility, possibly lacking antibacterial activity but conserving the ability to interact with amyloid-beta peptides. Known tetracyclines have in common a fourth cycle without an aromatic character and with different functionalisations. We aim to synthesize derivatives in which this cycle is represented by a sugar moiety, thus bearing different derivatisable positions or create derivatives in which we will increase or decrease the number of fused rings. In order to generate a potential drug-tool candidate, these molecules should also possess the correct chemical-physical characteristics. The glycidic moiety, not being directly involved in the binding, it assures further possible derivatizations, such as conjugation to others molecular entities (nanoparticles, polymeric supports, etc.), and functionalization with chemical groups able to modulate the hydro/lipophilicity. In order to be useful such compounds should perform their action within the brain, therefore they have to be able to cross the blood brain barrier, and to be somehow detected for diagnostic purposes.