L'utilizzo dei casi di studio per favorire l'apprendimento di metodologie e strumenti per lo sviluppo organizzativo o di percorsi di cura nelle aziende sanitarie

La formazione, in ambito sanitario, è considerata una grande leva di orientamento dei comportamenti, ma la metodologia tradizionale di formazione frontale non è la più efficace, in particolare nella formazione continua o “long-life education”. L’obiettivo primario della tesi è verificare se l’utilizzo della metodologia dello “studio di caso”, di norma utilizzata nella ricerca empirica, può favorire, nel personale sanitario, l’apprendimento di metodi e strumenti di tipo organizzativo-gestionale, partendo dalla descrizione di processi, decisioni, risultati conseguiti in contesti reali. Sono stati progettati e realizzati 4 studi di caso con metodologia descrittiva, tre nell’Azienda USL di Piacenza e uno nell’Azienda USL di Bologna, con oggetti di studio differenti: la continuità di cura in una coorte di pazienti con stroke e l’utilizzo di strumenti di monitoraggio delle condizioni di autonomia; l’adozione di un approccio “patient-centred” nella presa in carico domiciliare di una persona con BPCO e il suo caregiver; la percezione che caregiver e Medici di Medicina Generale o altri professionisti hanno della rete aziendale Demenze e Alzheimer; la ricaduta della formazione di Pediatri di Libera Scelta sull’attività clinica. I casi di studio sono stati corredati da note di indirizzo per i docenti e sono stati sottoposti a quattro referee per la valutazione dei contenuti e della metodologia. Il secondo caso è stato somministrato a 130 professionisti sanitari all’interno di percorso di valutazione delle competenze e dei potenziali realizzato nell’AUSL di Bologna. I referee hanno commentato i casi e gli strumenti di lettura organizzativa, sottolineando la fruibilità, approvando la metodologia utilizzata, la coniugazione tra ambiti clinico-assistenziali e organizzativi, e le teaching note. Alla fine di ogni caso è presente la valutazione di ogni referee.

Molecular interaction of the human metalloprotease meprin beta with the amyloid precursor protein, ADAM10, and ADAM17 based on proteomics

Die Zinkendopeptidasen Meprin α und β sind Schlüsselkomponenten in patho(physiologischen) Prozessen wie Entzündung, Kollagenassemblierung und Angiogenese. Nach ihrer Entdeckung in murinen Bürstensaummembranen und humanen Darmepithelien, wurden weitere Expressionsorte identifiziert, z.B. Leukozyten, Krebszellen und die humane Haut. Tiermodelle, Zellkulturen und biochemische Analysen weisen auf Funktionen der Meprine in der Epithelialdifferenzierung, Zellmigration, Matrixmodellierung, Angiogenese, Bindegewebsausbildung und immunologische Prozesse hin. Dennoch sind ihre physiologischen Substrate weitgehend noch unbekannt. Massenspektrometrisch basierte Proteomics-Analysen enthüllten eine einzigartige Spaltspezifität für saure Aminosäurereste in der P1´ Position und identifizierten neue biologische Substratkandidaten. Unter den 269 extrazellulären Proteinen, die in einem Substratscreen identifiziert wurden, stellten sich das amyloid precursor protein (APP) and ADAM10 (a disintegrin and metalloprotease 10) als sehr vielversprechende Kandidaten heraus. Mehrere Schnittstellen innerhalb des APP Proteins, hervorgerufen durch verschiedenen Proteasen, haben unterschiedlichen Auswirkungen zur Folge. Die β-Sekretase BACE (β-site APP cleaving enzyme) prozessiert APP an einer Schnittstelle, welche als initialer Schritt in der Entwicklung der Alzheimer Erkrankung gilt. Toxische Aβ (Amyloid β)-Peptide werden in den extrazellulären Raum freigesetzt und aggregieren dort zu senilen Plaques. Membran verankertes Meprin β hat eine β-Sekretase Aktivität, die in einem Zellkultur-basierten System bestätigt werden konnte. Die proteolytische Effizienz von Meprin β wurde in FRET (Fluorescence Resonance Energy Transfer)-Analysen bestimmt und war um den Faktor 104 höher als die von BACE1. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass Meprin β die ersten zwei Aminosäuren prozessiert und somit aminoterminal einen Glutamatrest freisetzt, welcher nachfolgend durch die Glutaminylzyklase in ein Pyroglutamat zykliert werden kann. Trunkierte Aβ-Peptide werden nur in Alzheimer Patienten generiert. Aufgrund einer erhöhten Hydrophobie weisen diese Peptide eine höhere Tendenz zur Aggregation auf und somit eine erhöhte Toxizität. Bis heute wurde keine Protease identifiziert, welche diese Schnittstelle prozessiert. Die Bildung der Meprin vermittelten N-terminalen APP Fragmenten wurde in vitro und in vivo detektiert. Diese N-APP Peptide hatten keine cytotoxischen Auswirkungen auf murine und humane Gehirnzellen, obwohl zuvor N-APP als Ligand für den death receptor (DR) 6 identifiziert wurde, der für axonale Degenerationsprozesse verantwortlich ist. rnIm nicht-amyloidogenen Weg prozessiert ADAM10 APP und entlässt die Ektodomäne von der Zellmembran. Wir konnten das ADAM10 Propeptid als Substrat von Meprin β identifizieren und in FRET Analysen, in vitro und in vivo zeigen, dass die Meprin vermittelte Prozessierung zu einer erhöhten ADAM10 Aktivität führt. Darüber hinaus wurde ADAM10 als Sheddase für Meprin β identifiziert. Shedding konnte durch Phorbol 12-myristate 13-acetate (PMA) oder durch das Ionophor A23187 hervorgerufen werden, sowie durch ADAM10 Inhibitoren blockiert werden. rnDiese Arbeit konnte somit ein komplexes proteolytisches Netwerk innerhalb der Neurophysiologie aufdecken, welches für die Entwicklung der Alzheimer Demenz wichtig sein kann.rn

Synthese und präklinische Evaluation von neuen antioxidativen Substanzen zur Neuroprotektion

Oxidativer Stress ist seit über 25 Jahren als ein Charakteristikum vieler pathologischer Prozesse bekannt. Helmut Sies beschrieb bereits in den 1980er Jahren oxidativen Stress als Störung in der prooxidativ – antioxidativen Balance zugunsten der prooxidativen Seite, wodurch es potentiell zu Schäden in verschiedenen Geweben kommt. Oxidativer Stress tritt sowohl bei neurodegenerativen Erkrankungen wie Morbus Alzheimer, Morbus Parkinson und zerebraler Ischämie, bei peripheren Erkrankungen wie Arteriosklerose, als auch beim Alterungsprozess per se auf und wird als Ursache oder zumindest als ein krankheitsfördernder Faktor diskutiert. Die in in vitro-Experimenten als vielversprechend antioxidativ getesteten Substanzen (meist phenolhaltig) ergaben in mehreren klinischen Studien keinen signifikanten Vorteil. Um die Ursachen dieser Ergebnisse näher zu analysieren, wurde in der vorliegenden Arbeit auf Basis des cytoprotektiven Phenothiazins, einem aromatischen trizyklischen Amin, der Einfluss von verschiedenen Substituenten im Hinblick auf Lipophilie, Radikalstabilisierung und Löslichkeit des Moleküls chemisch vorhergesagt. Anhand dieser in silicio Struktur-Wirkungs-Beziehung wurden anschließend neue Modellsubstanzen synthetisiert, welche sich systematisch in den drei zuvor genannten Parametern unterschieden. Dies wurde durch Substitution von unterschiedlich langen Fettsäureketten, von löslichkeitsbeeinflussenden funktionellen Gruppen, oder durch Anellierung zusätzlicher aromatischer Ringe erreicht. In den folgenden Versuchen zu antioxidativer Kapazität, zellulärem Überleben, Lipidperoxidation und Proteinoxidation zeigte sich, dass mit gesteigerter Stabilität der korrespondierenden Radikale und mit wachsender Lipophilie die antioxidativ cytoprotektive Aktivität der neuen Derivate bis zu einer gewissen Grenze (logP ≈ 7) signifikant zunahm; über diesen Wert hinaus sank die Effektivität wieder ab. Benzanellierte Phenothiazine entwickelten mit EC50-Werten von ungefähr 8-10 nM die höchste mittlere effektive Wirkkonzentration in oxidativ geschädigten, klonalen hippocampalen Neuronen (HT-22 Zellen). Dies entspricht einer etwa 20-fachen Verbesserung gegenüber α-Tocopherol, welches bisher als bestes natürliches lipophiles Antioxidans angesehen wurde. Im Vergleich zu Phenothiazin erreichen die neuen Antioxidantien immerhin eine höhere Effektivität um den Faktor 4. Folglich sind es sowohl Aspekte der Löslichkeit und der Distribution, welche die Potenz der gegenwärtigen Antioxidantien limitieren als auch Aspekte der Radikalstabilisierung, die Einfluss auf die primäre Wirksamkeit nehmen. Dieses Wissen sollte beim zukünftigen Design neuer, antioxidativ potenter Moleküle im Hinblick auf ihren langfristigen Einsatz bei neurodegenerativen Erkrankungen von Nutzen sein.

Untersuchungen zum Ectodomain shedding des Receptor for advanced glycation endproducts

Zu den Liganden des Zelloberflächenrezeptors RAGE gehören AGEs, S100-Proteine, HMGB1 und Aβ. RAGE wird daher eine Rolle bei verschiedenen neurologischen Erkrankungen sowie Diabetes, Arteriosklerose und Krebs zugesprochen. Des Weiteren geht eine Verringerung der Menge an sRAGE häufig mit diesen Krankheiten einher. Aus diesen Gründen stellt die pharmakologische Stimulierung der Proteolyse von RAGE eine vielversprechende Therapieform dar. Im Rahmen dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass eine Steigerung der sRAGE-Bildung über PAC1-, V2- und OT-Rezeptoren möglich ist. Die Untersuchung der PAC1-Signalwege zeigte, dass PKCα/PKCβI, CaMKII, Ca2+-Ionen, PI3-Kinase und der MAP-Kinase-Weg wichtig für die Stimulierung sind und dass der PKA-Weg nicht beteiligt ist. Die dreimonatige Behandlung von Mäusen mit PACAP-38 weist darauf hin, dass eine Stimulierung des Ectodomain Sheddings von RAGE auch in vivo erfolgen kann. Die Untersuchung der Signalwege, ausgehend von den V2- und OT-Rezeptoren, zeigte, dass ebenfalls PKCα/PKCβI, CaMKII, Ca2+-Ionen zur Aktivierung der Proteasen führen, dagegen konnte weder ein Einfluss des PKA- noch des MAP-Kinase-Weges festgestellt werden. Außerdem wurden sowohl MMP-9 als auch ADAM-10 als RAGE-spaltende Proteasen identifiziert. Die nähere Untersuchung der RAGE-Spaltstelle erbrachte, dass keine spezifische Sequenz, sondern vielmehr die Sekundärstruktur eine Rolle bei der Erkennung durch die Proteasen spielt. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde weiterhin ein anti-RAGE Antikörper anhand einer neu entwickelten Methode zunächst gereinigt und dann erfolgreich an ein mit dem Fluoreszenzfarbstoff Rhodamin markiertes Polymer gekoppelt. Die Stimulierung der Proteolyse von Meprin β wurde auch untersucht und es konnte ebenfalls eine Beteiligung von ADAM-10 an der Spaltung nachgewiesen werden.

Cannabinoid system combined to classic targets for a new MTDL strategy: design and synthesis of natural inspired molecules for Alzheimer's disease

In this thesis is described the design and synthesis of potential agents for the treatment of the multifactorial Alzheimer’s disease (AD). Our multi-target approach was to consider cannabinoid system involved in AD, together with classic targets. In the first project, designed modifications were performed on lead molecule in order to increase potency and obtain balanced activities on fatty acid amide hydrolase and cholinesterases. A small library of compounds was synthesized and biological results showed increased inhibitory activity (nanomolar range) related to selected target. The second project was focused on the benzofuran framework, a privileged structure being a common moiety found in many biologically active natural products and therapeutics. Hybrid molecules were designed and synthesized, focusing on the inhibition of cholinesterases, Aβ aggregation, FAAH and on the interaction with CB receptors. Preliminary results showed that several compounds are potent CB ligands, in particular the high affinity for CB2 receptors, could open new opportunities to modulate neuroinflammation. The third and the fourth project were carried out at the IMS, Aberdeen, under the supervision of Prof. Matteo Zanda. The role of the cannabinoid system in the brain is still largely unexplored and the relationship between the CB1 receptors functional modification, density and distribution and the onset of a pathological state is not well understood. For this reasons, Rimonabant analogues suitable as radioligands were synthesized. The latter, through PET, could provide reliable measurements of density and distribution of CB1 receptors in the brain. In the fifth project, in collaboration with CHyM of York, the goal was to develop arginine analogues that are target specific due to their exclusively location into NOS enzymes and could work as MRI contrasting agents. Synthesized analogues could be suitable substrate for the transfer of polarization by p-H2 molecules through SABRE technique transforming MRI a more sensitive and faster technique.

Induction of RAGE shedding by activation of G-protein-coupled receptors

The multiligand Receptor for Advanced Glycation End products (RAGE) is involved in various pathophysiological processes, including diabetic inflammatory conditions and Alzheimers disease. Full-length RAGE, a cell surface-located type I membrane protein, can proteolytically be converted by metalloproteinases ADAM10 and MMP9 into a soluble RAGE form. Moreover, administration of recombinant soluble RAGE suppresses activation of cell surface-located RAGE by trapping RAGE ligands. Therefore stimulation of RAGE shedding might have a therapeutic value regarding inflammatory diseases. We aimed to investigate whether RAGE shedding is inducible via ligand-induced activation of G protein-coupled receptors (GPCRs). We chose three different GPCRs coupled to distinct signaling cascades: the V2 vasopressin receptor (V2R) activating adenylyl cyclase, the oxytocin receptor (OTR) linked to phospholipase Cβ, and the PACAP receptor (subtype PAC1) coupled to adenylyl cyclase, phospholipase Cβ, calcium signaling and MAP kinases. We generated HEK cell lines stably coexpressing an individual GPCR and full-length RAGE and then investigated GPCR ligand-induced activation of RAGE shedding. We found metalloproteinase-mediated RAGE shedding on the cell surface to be inducible via ligand-specific activation of all analyzed GPCRs. By using specific inhibitors we have identified Ca2+ signaling, PKCα/PKCβI, CaMKII, PI3 kinases and MAP kinases to be involved in PAC1 receptor-induced RAGE shedding. We detected an induction of calcium signaling in all our cell lines coexpressing RAGE and different GPCRs after agonist treatment. However, we did not disclose a contribution of adenylyl cyclase in RAGE shedding induction. Furthermore, by using a selective metalloproteinase inhibitor and siRNAmediated knock-down approaches, we show that ADAM10 and/or MMP9 are playing important roles in constitutive and PACAP-induced RAGE shedding. We also found that treatment of mice with PACAP increases the amount of soluble RAGE in the mouse lung. Our findings suggest that pharmacological stimulation of RAGE shedding might open alternative treatment strategies for Alzheimers disease and diabetes-induced inflammation.

Untersuchungen zur Wirkung des Ginkgo-biloba-Extraktes EGb 761 auf die Proteinaggregation in der Huntington-Krankheit

Der Ginkgo biloba-Extrakt EGb 761 besteht aus einer Reihe pharmakologisch wirksamer Substanzen, welche gut beschriebene Wirkungen auf verschiedene potentiell zytoprotektive Signalwege ausüben und u.a. antioxidative Wirksamkeit haben. Folglich wurde EGb 761 bisher als eine natürliche Behandlung bei neurodegenerativen Erkrankungen mit zellulärem oxidativen Stress angewendet, einschließlich der Alzheimer-Krankheit (AD). Aufgrund von vielen gemeinsamen Merkmalen zwischen der AD und der Huntington-Krankheit (HD) wurde vermutet, dass EGb 761 eventuell auch positive Wirksamkeit bei der HD aufweisen könnte. rnDie Neuropathologie der HD wird durch pathologische Verlängerung an Glutamin-Wiederholungen im Huntingtin-Protein (polyQ-Protein) verursacht, wodurch es zu Fehlfaltungen im Protein kommt und hierdurch der proteasomale Abbau aberranter Proteine erschwert wird. Somit sollten in der vorliegenden Arbeit die EGb 761-Wirkungen auf die Proteasom-Aktivität und die Proteinaggregation in zellulären Modellen der HD untersucht werden. rnWie die ersten Untersuchungen in nativen HEK293-Zellen ergaben, bewirkte die Behandlung der Zellen mit EGb 761 eine Steigerung der basalen Proteasom-Aktivität sowie des proteasomalen Proteinabbaus und erhöhte die Transkription proteasomaler Gene. Hieraus ergaben sich Untersuchungen in Zellen mit Expressionen pathologischer Varianten von polyQ-Proteinen als zelluläre Modelle der HD. Hierbei konnte festgestellt werden, dass die Expression aberranter polyQ-Proteine eine verminderte zelluläre Proteasom-Aktivität bewirkte. Interessanterweise verursachte EGb 761 eine Abmilderung der pathologisch-induzierten verminderten Proteasom-Aktivität, in dem die EGb 761-Behandlung der Zellen zu einer erhöhten Proteasom-Aktivität, einem verbesserten proteasomalen Proteinabbau, sowie zu einer erhöhten Transkription proteasomaler Gene führte. Da diese EGb 761-Effekte unabhängig von der Expression aberranter polyQ-Proteine waren, demonstrierten diese Ergebnisse eine allgemeine EGb 761-Wirkungen auf die Proteasom-Aktivität. Anhand dieser Ergebnisse sollten anschließend weitere Untersuchungen mit zellulären Modellen der HD die genau Wirkung von EGb 761 auf die Degradation von abnormal verlängerten polyQ-Proteinen sowie auf die Bildung von polyQ-Aggregaten klären. rnHier konnte gezeigt werden, dass die Expression aberranter polyQ-Proteinen zu einer Akkumulation von SDS-resistenten bzw. SDS-unlöslichen, aggregierten polyQ-Proteinen führte, sowie die Bildung von sichtbaren polyQ-Aggregaten in Zellen bewirkte. Hierbei verursachte eine EGb 761-Behandlung der Zellen eine signifikante Verminderung im Gehalt an SDS-resistenten polyQ-Proteinen sowie eine Reduzierung von Aggregat-tragenden Zellen. Zudem konnte gezeigt werden, dass eine pharmakologische Inhibition des Proteasoms in EGb 761-behandelten Zellen, den Gehalt an SDS-unlöslichen polyQ-Proteinaggregate wieder erhöhte und somit den Effekt von EGb 761 aufhob. Folglich zeigten diese Ergebnisse, dass die EGb 761-induzierte Reduzierung der polyQ-Proteinaggregate durch einen effizienteren proteasomalen Abbau von fehlgefalteten, aberranten polyQ-Proteinen bewirkte wurde. rnAufbauend auf diesen Ergebnissen wurde eine experimentell-therapeutische Anwendung von EGb 761 in Modellen der HD in vitro und in vivo überprüft und hierzu primäre humane Fibroblasten sowie transgene C. elegans Würmer mit Expressionen aberranter polyQ-Proteine untersucht. Interessanterweise konnte in vitro und in vivo gezeigt werden, dass die EGb 761-Behandlung auch hier eine Reduzierung von SDS-unlöslichen polyQ-Proteinen bewirkte und zudem eine Reduzierung des pathologisch erhöhten Gehalts an Polyubiquitin-Proteinen bewirkte. Folglich wurde auch hier vermutet, dass EGb 761 einen verbesserten proteasomalen Abbau von polyQ-Proteinen induzierte und dies eine Verminderung der polyQ-Proteinaggregate verursachte. Darüber hinaus führte die EGb 761-Behandlung von seneszenten Fibroblasten zur Reduzierung von altersabhängig erhöhten Mengen von polyQ-Aggregaten, wodurch ein therapeutischer Effekt auf den proteasomalen Abbau der polyQ-Proteine verdeutlicht wurde. Zusätzlich konnte in polyQ-transgenen C. elegans demonstriert werden, dass eine EGb 761-Behandlung die Abmilderung eines typischen pathologischen Phänotyps bewirkte, indem eine polyQ-induzierte verminderte Motilität der Nematoden verbessert wurde und hierdurch eine positive EGb 761-Wirkung auf die Pathologie der HD in vivo dargestellt wurde. rnZusammenfassend konnten in dieser Arbeit neue Wirkungen von EGb 761 in der HD demonstriert werden. Hierbei wurde gezeigt, dass EGb 761 die Aggregation von pathogenen aberranten polyQ-Proteinen in vitro und in vivo reduziert, indem eine effizientere Degradation von polyQ-Proteinen erfolgt. Somit könnte diese Wirkungen von EGb 761 eine potentiell therapeutische Anwendung in der HD und ähnliche neurodegenerativen Erkrankungen darstellen.

Der Einfluss des Endocannabinoidsystems auf die Alzheimer Pathologie

Die Alzheimer Krankheit ist eine der häufigsten neurodegenerativen Erkrankungen, deren Ursache, abgesehen von einem geringen Prozentsatz vererbter Formen, bisher nicht bekannt ist. Ein wichtiges Ziel der Grundlagenforschung liegt derzeit in der Modulation der APP-spaltenden Enzyme. Durch die Modulation dieser Enzyme könnten weniger schädigende Amyloid β-Peptide entstehen. Die Aktivität des ECS ist in vielen neurodegenerativen Krankheiten verändert. Protektive Eigenschaften der Cannabinoidrezeptoren wurden bei der Alzheimer Krankheit beschrieben. Deshalb sollte in dieser Arbeit der Einfluss des ECS auf die Pathogenese der Alzheimer Erkrankung untersucht werden. In Zellkultursystemen wurde der Einfluss von Cannabinoiden auf die Prozessierung des Amyloid-Vorläuferproteins analysiert. Durch Inkubation der Zellen mit CB1-Rezeptor Agonisten konnte die APP-Prozessierung zugunsten von sAPPα moduliert werden. Gleichzeitig führte die Inkubation mit Cannabinoiden zur reduzierten Amyloid β Menge im Medium der Zellen. In dieser Arbeit konnte die APP-Prozessierung durch die Aktivierung des CB1-Rezeptors zugunsten des nicht-amyloiden Wegs moduliert werden.rnIn einem Tiermodell wurde der Einfluss des CB1-Rezeptors in APP23 transgenen Mäusen untersucht. Der Knockout des CB1-Rezeptors führte in APP23 transgenen Tieren zu weitreichenden biochemischen Veränderungen. APP23/CB1-/--Tiere zeigten eine erhöhte Mortalität und ein sehr geringes Durchschnittsgewicht. Im Vergleich zu APP23/CB1+/+-Tieren führte der CB1-Rezeptor Knockout zur Reduktion der APP-Expression und dessen Prozessierungsprodukten. In den histologischen Untersuchungen wurde eine reduzierte Anzahl an amyloiden Plaques, sowie eine reduzierte Neuroinflammation ermittelt. Biochemische Untersuchungen zeigten, dass der CB1-Rezeptor einen möglichen regulatorischen Einfluss auf die Expression und Prozessierung von APP ausübt. Die Tiere mit der geringsten Plaque-Menge (APP23/CB1-/-) und einer reduzierten Prozessierung von sAPPα- und den CTFs zeigten die schlechteste Lernleistung im Morris Water-Maze. Deshalb müssen andere Faktoren (z.B. die Degradation der Myelinschicht) für die schlechte Lernleistung verantwortlich sein. Mit einem zweiten Tiermodell könnte in CB1-Knockout Mäusen durch den viral-vermittelten Gentransfer eine mögliche Toxizität von Aβ Peptiden untersucht werden. Die in dieser Arbeit ermittelten Ergebnisse zeigen, dass der CB1-Rezeptor an der Regulation der APP-Prozessierung beteiligt ist und zu proteinbiochemischen Veränderungen im Zell- und Tiermodell führt.

Blood-CNS barriers in neurodegenerative diseases

The blood-brain barrier (BBB) and the blood-spinal cord barrier (BSCB) separate the brain and the spinal cord from the circulating blood and are important for the maintenance of the CNS homeostasis. They build a physical barrier thereby protecting the CNS from pathogens and toxic agents, and their disruption plays a crucial role in the pathogenesis of several CNS disorders. In this thesis, the blood-CNS-barriers were studied via in vitro models in two case studies for neurodegenerative disorders, in particular Alzheimer’s disease (AD) and amyotrophic lateral sclerosis (ALS). The first model evaluates treatment possibilities of AD using nanotechnology-based strategies. Since the toxic amyloid-β42 (Aβ42) peptide plays a crucial role in the pathogenesis of AD, reduced generation or enhanced clearance of Aβ42 peptides are expected to modify the disease course in AD. Therefore, several Aβ42-lowering drugs like flurbiprofen had been tested in clinical trials, but most of them failed due to their low brain penetration. Here, flurbiprofen was embedded in polylactide (PLA) nanoparticles and its transport was examined in an in vitro BBB model. The embedding of flurbiprofen into the nanoparticles disguised its cytotoxic potential and enabled the administration of higher drug concentrations which resulted in a sufficient transport of the drug across an endothelial cell monolayer. These results demonstrate that non-permeable drugs can be transported efficiently via nanoparticles and that these nanotechnology-based strategies are a promising tool to generate novel therapeutic options for AD and other CNS diseases. rnThe focus of the second project was to investigate the impaired integrity of the BSCB in a mouse model for ALS. About 20% of all familial ALS cases are associated with missense mutations or small deletions in the gene that encodes Cu/Zn-superoxide dismutase 1 (SOD1). To date, the molecular mechanisms resulting in ALS are still unknown, but there is evidence that the disruption of the BSCB is one of the primary pathological events. In both familial and sporadic ALS patients, loss of endothelial integrity and endothelial cell damage was observed, and studies with SOD1 transgenic mice demonstrated that the BSCB disruption was found prior to motor neuron degeneration and neurovascular inflammation. Thus, an in vitro model for ALS endothelial cells was generated which exhibited comparable integrity characteristics and tight junction (TJ) protein expression profiles as isolated primary endothelial cells of the BSCB of SOD1 transgenic mice. In this, an alteration of the βcat/AKT/FoxO1 pathway, which regulates the expression of the TJ protein claudin-5, could be observed. These data furthermore indicate that ALS is a neurovascular disease, and understanding of the primary events in ALS pathogenesis will hopefully provide ideas for the development of new therapeutic strategies. rn

I know what I like: Stability of aesthetic preference in Alzheimer's disease

Two studies explored the stability of art preference in patients with Alzheimer’s disease and age-matched control participants. Preferences for three different styles of paintings, displayed on art postcards, were examined over two sessions. Preference for specific paintings differed among individuals but AD and non-AD groups maintained about the same stability in terms of preference judgments across two weeks, even though the AD patients did not have explicit memory for the paintings. We conclude that aesthetic responses can be preserved in the face of cognitive decline. This should encourage caregivers and family to engage in arts appreciation activities with patients, and reinforces the validity of a preference response as a dependent measure in testing paradigms.

Recognition of familiar and unfamiliar music in normal aging and Alzheimer's disease

We tested normal young and elderly adults and elderly Alzheimer’s disease (AD) patients on recognition memory for tunes. In Experiment 1, AD patients and age-matched controls received a study list and an old/new recognition test of highly familiar, traditional tunes, followed by a study list and test of novel tunes. The controls performed better than did the AD patients. The controls showed the “mirror effect” of increased hits and reduced false alarms for traditional versus novel tunes, whereas the patients false-alarmed as often to traditional tunes as to novel tunes. Experiment 2 compared young adults and healthy elderly persons using a similar design. Performance was lower in the elderly group, but both younger and older subjects showed the mirror effect. Experiment 3 produced confusion between preexperimental familiarity and intraexperimental familiarity by mixing traditional and novel tunes in the study lists and tests. Here, the subjects in both age groups resembled the patients of Experiment 1 in failing to show the mirror effect. Older subjects again performed more poorly, and they differed qualitatively from younger subjects in setting stricter criteria for more nameable tunes. Distinguishing different sources of global familiarity is a factor in tune recognition, and the data suggest that this type of source monitoring is impaired in AD and involves different strategies in younger and older adults.

A BAYESIAN HIERARCHICAL FRAMEWORK FOR SPATIAL MODELING OF fMRI DATA

Functional neuroimaging techniques enable investigations into the neural basis of human cognition, emotions, and behaviors. In practice, applications of functional magnetic resonance imaging (fMRI) have provided novel insights into the neuropathophysiology of major psychiatric,neurological, and substance abuse disorders, as well as into the neural responses to their treatments. Modern activation studies often compare localized task-induced changes in brain activity between experimental groups. One may also extend voxel-level analyses by simultaneously considering the ensemble of voxels constituting an anatomically defined region of interest (ROI) or by considering means or quantiles of the ROI. In this work we present a Bayesian extension of voxel-level analyses that offers several notable benefits. First, it combines whole-brain voxel-by-voxel modeling and ROI analyses within a unified framework. Secondly, an unstructured variance/covariance for regional mean parameters allows for the study of inter-regional functional connectivity, provided enough subjects are available to allow for accurate estimation. Finally, an exchangeable correlation structure within regions allows for the consideration of intra-regional functional connectivity. We perform estimation for our model using Markov Chain Monte Carlo (MCMC) techniques implemented via Gibbs sampling which, despite the high throughput nature of the data, can be executed quickly (less than 30 minutes). We apply our Bayesian hierarchical model to two novel fMRI data sets: one considering inhibitory control in cocaine-dependent men and the second considering verbal memory in subjects at high risk for Alzheimer’s disease. The unifying hierarchical model presented in this manuscript is shown to enhance the interpretation content of these data sets.

Ecological validity of virtual reality daily living activities screening for early dementia: longitudinal study

Background: Dementia is a multifaceted disorder that impairs cognitive functions, such as memory, language, and executive functions necessary to plan, organize, and prioritize tasks required for goal-directed behaviors. In most cases, individuals with dementia experience difficulties interacting with physical and social environments. The purpose of this study was to establish ecological validity and initial construct validity of a fire evacuation Virtual Reality Day-Out Task (VR-DOT) environment based on performance profiles as a screening tool for early dementia. Objective: The objectives were (1) to examine the relationships among the performances of 3 groups of participants in the VR-DOT and traditional neuropsychological tests employed to assess executive functions, and (2) to compare the performance of participants with mild Alzheimer’s-type dementia (AD) to those with amnestic single-domain mild cognitive impairment (MCI) and healthy controls in the VR-DOT and traditional neuropsychological tests used to assess executive functions. We hypothesized that the 2 cognitively impaired groups would have distinct performance profiles and show significantly impaired independent functioning in ADL compared to the healthy controls. Methods: The study population included 3 groups: 72 healthy control elderly participants, 65 amnestic MCI participants, and 68 mild AD participants. A natural user interface framework based on a fire evacuation VR-DOT environment was used for assessing physical and cognitive abilities of seniors over 3 years. VR-DOT focuses on the subtle errors and patterns in performing everyday activities and has the advantage of not depending on a subjective rating of an individual person. We further assessed functional capacity by both neuropsychological tests (including measures of attention, memory, working memory, executive functions, language, and depression). We also evaluated performance in finger tapping, grip strength, stride length, gait speed, and chair stands separately and while performing VR-DOTs in order to correlate performance in these measures with VR-DOTs because performance while navigating a virtual environment is a valid and reliable indicator of cognitive decline in elderly persons. Results: The mild AD group was more impaired than the amnestic MCI group, and both were more impaired than healthy controls. The novel VR-DOT functional index correlated strongly with standard cognitive and functional measurements, such as mini-mental state examination (MMSE; rho=0.26, P=.01) and Bristol Activities of Daily Living (ADL) scale scores (rho=0.32, P=.001). Conclusions: Functional impairment is a defining characteristic of predementia and is partly dependent on the degree of cognitive impairment. The novel virtual reality measures of functional ability seem more sensitive to functional impairment than qualitative measures in predementia, thus accurately differentiating from healthy controls. We conclude that VR-DOT is an effective tool for discriminating predementia and mild AD from controls by detecting differences in terms of errors, omissions, and perseverations while measuring ADL functional ability.

CONFORMATIONAL CHANGES IN THE EXTRACELLULAR DOMAIN OF GLUTAMATE RECEPTORS

The family of membrane protein called glutamate receptors play an important role in the central nervous system in mediating signaling between neurons. Glutamate receptors are involved in the elaborate game that nerve cells play with each other in order to control movement, memory, and learning. Neurons achieve this communication by rapidly converting electrical signals into chemical signals and then converting them back into electrical signals. To propagate an electrical impulse, neurons in the brain launch bursts of neurotransmitter molecules like glutamate at the junction between neurons, called the synapse. Glutamate receptors are found lodged in the membranes of the post-synaptic neuron. They receive the burst of neurotransmitters and respond by fielding the neurotransmitters and opening ion channels. Glutamate receptors have been implicated in a number of neuropathologies like ischemia, stroke and amyotrophic lateral sclerosis. Specifically, the NMDA subtype of glutamate receptors has been linked to the onset of Alzheimer’s disease and the subsequent degeneration of neuronal cells. While crystal structures of AMPA and kainate subtypes of glutamate receptors have provided valuable information regarding the assembly and mechanism of activation; little is known about the NMDA receptors. Even the basic question of receptor assembly still remains unanswered. Therefore, to gain a clear understanding of how the receptors are assembled and how agonist binding gets translated to channel opening, I have used a technique called Luminescence Resonance Energy Transfer (LRET). LRET offers the unique advantage of tracking large scale conformational changes associated with receptor activation and desensitization. In this dissertation, LRET, in combination with biochemical and electrophysiological studies, were performed on the NMDA receptors to draw a correlation between structure and function. NMDA receptor subtypes GluN1 and GluN2A were modified such that fluorophores could be introduced at specific sites to determine their pattern of assembly. The results indicated that the GluN1 subunits assembled across each other in a diagonal manner to form a functional receptor. Once the subunit arrangement was established, this was used as a model to further examine the mechanism of activation in this subtype of glutamate receptor. Using LRET, the correlation between cleft closure and activation was tested for both the GluN1 and GluN2A subunit of the NMDA receptor in response to agonists of varying efficacies. These investigations revealed that cleft closure plays a major role in the mechanism of activation in the NMDA receptor, similar to the AMPA and kainate subtypes. Therefore, suggesting that the mechanism of activation is conserved across the different subtypes of glutamate receptors.

Event-relating to potential dementia. Semantic processing in the course of healthy and pathological aging

While most healthy elderly are able to manage their everyday activities, studies showed that there are both stable and declining abilities during healthy aging. For example, there is evidence that semantic memory processes which involve controlled retrieval mechanism decrease, whereas the automatic functioning of the semantic network remains intact. In contrast, patients with Alzheimer’s disease (AD) suffer from episodic and semantic memory impairments aggravating their daily functioning. In AD, severe episodic as well as semantic memory deficits are observable. While the hallmark symptom of episodic memory decline in AD is well investigated, the underlying mechanisms of semantic memory deterioration remain unclear. By disentangling the semantic memory impairments in AD, the present thesis aimed to improve early diagnosis and to find a biomarker for dementia. To this end, a study on healthy aging and a study with dementia patients were conducted investigating automatic and controlled semantic word retrieval. Besides the inclusion of AD patients, a group of participants diagnosed with semantic dementia (SD) – showing isolated semantic memory loss – was assessed. Automatic and controlled semantic word retrieval was measured with standard neuropsychological tests and by means of event-related potentials (ERP) recorded during the performance of a semantic priming (SP) paradigm. Special focus was directed to the N400 or N400-LPC (late positive component) complex, an ERP that is sensitive to the semantic word retrieval. In both studies, data driven topographical analyses were applied. Furthermore, in the patient study, the combination of the individual baseline cerebral blood flow (CBF) with the N400 topography of each participant was employed in order to relate altered functional electrophysiology to the pathophysiology of dementia. Results of the aging study revealed that the automatic semantic word retrieval remains stable during healthy aging, the N400-LPC complex showed a comparable topography in contrast to the young participants. Both patient groups showed automatic SP to some extent, but strikingly the ERP topographies were altered compared to healthy controls. Most importantly, the N400 was identified as a putative marker for dementia. In particular, the degree of the topographical N400 similarity was demonstrated to separate healthy elderly from demented patients. Furthermore, the marker was significantly related to baseline CBF reduction in brain areas relevant for semantic word retrieval. Summing up, the first major finding of the present thesis was that all groups showed semantic priming, but that the N400 topography differed significantly between healthy and demented elderly. The second major contribution was the identification of the N400 similarity as a putative marker for dementia. To conclude, the present thesis added evidence of preserved automatic processing during healthy aging. Moreover, a possible marker which might contribute to an improved diagnosis and lead consequently to a more effective treatment of dementia was presented and has to be further developed.