Mechanisms of protein homeostasis in health, aging and disease.

When emerging from the ribosomes, new polypeptides need to fold properly, eventually translocate, and then assemble into stable, yet functionally flexible complexes. During their lifetime, native proteins are often exposed to stresses that can partially unfold and convert them into stably misfolded and aggregated species, which can in turn cause cellular damage and propagate to other cells. In animal cells, especially in aged neurons, toxic aggregates may accumulate, induce cell death and lead to tissue degeneration via different mechanisms, such as apoptosis as in Parkinson's and Alzheimer's diseases and aging in general. The main cellular mechanisms effectively controlling protein homeostasis in youth and healthy adulthood are: (1) the molecular chaperones, acting as aggregate unfolding and refolding enzymes, (2) the chaperone-gated proteases, acting as aggregate unfolding and degrading enzymes, (3) the aggresomes, acting as aggregate compacting machineries, and (4) the autophagosomes, acting as aggregate degrading organelles. For unclear reasons, these cellular defences become gradually incapacitated with age, leading to the onset of degenerative diseases. Understanding these mechanisms and the reasons for their incapacitation in late adulthood is key to the design of new therapies against the progression of aging, degenerative diseases and cancers.

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.

MemoryCon : Una aplicació d'Android per a potenciar la memòria dels malalts d'Alzheimer

This Degree Project is the development of an application for mobile devices with Android operating system. It is based on a generic manual with exercises for Alzheimer patients. The aim of the manual -and therefore, of the video game- is simply to be helpful in stimulating cognitive abilities of patients, ie players.

Produtos naturais como candidatos a fármacos úteis no tratamento do Mal de Alzheimer

Alzheimer's disease (AD) is a progressive neurodegenerative pathology with severe economic and social impact. There is currently no cure, although cholinesterase inhibitors provide effective temporary relief of symptoms in some patients. Nowadays drug research and development are based on the cholinergic hypothesis that supports the cognition improvement by regulation of the synthesis and release of acetylcholine in the brain. There are only four commercial medicines approved for treatment of AD and natural products have played an important role in the research for new acetylcholinesterase inhibitors.

Tetrahydrobenzo[h][1,6]naphthyridine-6-chlorotacrine hybrids as a new family of anti-Alzheimer agents targeting beta-amyloid, tau, and cholinesterase pathologies

Optimization of an essentially inactive 3,4-dihydro-2H-pyrano[3,2-c]quinoline carboxylic ester derivative as acetylcholinesterase (AChE) peripheral anionic site (PAS)-binding motif by double O → NH bioisosteric replacement, combined with molecular hybridization with the AChE catalytic anionic site (CAS) inhibitor 6-chlorotacrine and molecular dynamics-driven optimization of the length of the linker has resulted in the development of the trimethylene-linked 1,2,3,4-tetrahydrobenzo[h][1,6]naphthyridine6-chlorotacrine hybrid 5a as a picomolar inhibitor of human AChE (hAChE). The tetra-, penta-, and octamethylene-linked homologues 5bd have been also synthesized for comparison purposes, and found to retain the nanomolar hAChE inhibitory potency of the parent 6-chlorotacrine. Further biological profiling of hybrids 5ad has shown that they are also potent inhibitors of human butyrylcholinesterase and moderately potent Aβ42 and tau anti-aggregating agents, with IC50 values in the submicromolar and low micromolar range, respectively. Also, in vitro studies using an artificial membrane model have predicted a good brain permeability for hybrids 5ad, and hence, their ability to reach their targets in the central nervous system. The multitarget profile of the novel hybrids makes them promising leads for developing anti-Alzheimer drug candidates with more balanced biological activities.

Tetrahydrobenzo[h][1,6]naphthyridine-6-chlorotacrine hybrids as a new family of anti-Alzheimer agents targeting beta-amyloid, tau, and cholinesterase pathologies

Optimization of an essentially inactive 3,4-dihydro-2H-pyrano[3,2-c]quinoline carboxylic ester derivative as acetylcholinesterase (AChE) peripheral anionic site (PAS)-binding motif by double O → NH bioisosteric replacement, combined with molecular hybridization with the AChE catalytic anionic site (CAS) inhibitor 6-chlorotacrine and molecular dynamics-driven optimization of the length of the linker has resulted in the development of the trimethylene-linked 1,2,3,4-tetrahydrobenzo[h][1,6]naphthyridine6-chlorotacrine hybrid 5a as a picomolar inhibitor of human AChE (hAChE). The tetra-, penta-, and octamethylene-linked homologues 5bd have been also synthesized for comparison purposes, and found to retain the nanomolar hAChE inhibitory potency of the parent 6-chlorotacrine. Further biological profiling of hybrids 5ad has shown that they are also potent inhibitors of human butyrylcholinesterase and moderately potent Aβ42 and tau anti-aggregating agents, with IC50 values in the submicromolar and low micromolar range, respectively. Also, in vitro studies using an artificial membrane model have predicted a good brain permeability for hybrids 5ad, and hence, their ability to reach their targets in the central nervous system. The multitarget profile of the novel hybrids makes them promising leads for developing anti-Alzheimer drug candidates with more balanced biological activities.

Tetrahydrobenzo[h][1,6]naphthyridine-6-chlorotacrine hybrids as a new family of anti-Alzheimer agents targeting beta-amyloid, tau, and cholinesterase pathologies

Optimization of an essentially inactive 3,4-dihydro-2H-pyrano[3,2-c]quinoline carboxylic ester derivative as acetylcholinesterase (AChE) peripheral anionic site (PAS)-binding motif by double O → NH bioisosteric replacement, combined with molecular hybridization with the AChE catalytic anionic site (CAS) inhibitor 6-chlorotacrine and molecular dynamics-driven optimization of the length of the linker has resulted in the development of the trimethylene-linked 1,2,3,4-tetrahydrobenzo[h][1,6]naphthyridine6-chlorotacrine hybrid 5a as a picomolar inhibitor of human AChE (hAChE). The tetra-, penta-, and octamethylene-linked homologues 5bd have been also synthesized for comparison purposes, and found to retain the nanomolar hAChE inhibitory potency of the parent 6-chlorotacrine. Further biological profiling of hybrids 5ad has shown that they are also potent inhibitors of human butyrylcholinesterase and moderately potent Aβ42 and tau anti-aggregating agents, with IC50 values in the submicromolar and low micromolar range, respectively. Also, in vitro studies using an artificial membrane model have predicted a good brain permeability for hybrids 5ad, and hence, their ability to reach their targets in the central nervous system. The multitarget profile of the novel hybrids makes them promising leads for developing anti-Alzheimer drug candidates with more balanced biological activities.

Tetrahydrobenzo[h][1,6]naphthyridine-6-chlorotacrine hybrids as a new family of anti-Alzheimer agents targeting beta-amyloid, tau, and cholinesterase pathologies

Optimization of an essentially inactive 3,4-dihydro-2H-pyrano[3,2-c]quinoline carboxylic ester derivative as acetylcholinesterase (AChE) peripheral anionic site (PAS)-binding motif by double O → NH bioisosteric replacement, combined with molecular hybridization with the AChE catalytic anionic site (CAS) inhibitor 6-chlorotacrine and molecular dynamics-driven optimization of the length of the linker has resulted in the development of the trimethylene-linked 1,2,3,4-tetrahydrobenzo[h][1,6]naphthyridine6-chlorotacrine hybrid 5a as a picomolar inhibitor of human AChE (hAChE). The tetra-, penta-, and octamethylene-linked homologues 5bd have been also synthesized for comparison purposes, and found to retain the nanomolar hAChE inhibitory potency of the parent 6-chlorotacrine. Further biological profiling of hybrids 5ad has shown that they are also potent inhibitors of human butyrylcholinesterase and moderately potent Aβ42 and tau anti-aggregating agents, with IC50 values in the submicromolar and low micromolar range, respectively. Also, in vitro studies using an artificial membrane model have predicted a good brain permeability for hybrids 5ad, and hence, their ability to reach their targets in the central nervous system. The multitarget profile of the novel hybrids makes them promising leads for developing anti-Alzheimer drug candidates with more balanced biological activities.

Dual inhibitors of beta-amyloid aggregation and acetylcholinesterase as multi-target anti-Alzheimer drug candidates

Notwithstanding the functional role that the aggregates of some amyloidogenic proteins can play in different organisms, protein aggregation plays a pivotal role in the pathogenesis of a large number of human diseases. One of such diseases is Alzheimer"s disease (AD), where the overproduction and aggregation of the β-amyloid peptide (Aβ) are regarded as early critical factors. Another protein that seems to occupy a prominent position within the complex pathological network of AD is the enzyme acetylcholinesterase (AChE), with classical and non-classical activities involved at the late (cholinergic deficit) and early (Aβ aggregation) phases of the disease. Dual inhibitors of Aβ aggregation and AChE are thus emerging as promising multi-target agents with potential to efficiently modify the natural course of AD. In the initial phases of the drug discovery process of such compounds, in vitro evaluation of the inhibition of Aβ aggregation is rather troublesome, as it is very sensitive to experimental assay conditions, and requires expensive synthetic Aβ peptides, which makes cost-prohibitive the screening of large compound libraries. Herein, we review recently developed multi-target anti-Alzheimer compounds that exhibit both Aβ aggregation and AChE inhibitory activities, and, in some cases also additional valuable activities such as BACE-1 inhibition or antioxidant properties. We also discuss the development of simplified in vivo methods for the rapid, simple, reliable, unexpensive, and high-throughput amenable screening of Aβ aggregation inhibitors that rely on the overexpression of Aβ42 alone or fused with reporter proteins in Escherichia coli.

Multigram synthesis and in vivo efficacy studies of a novel multitarget anti-Alzheimer's compound

We describe the multigram synthesis and in vivo efficacy studies of a donepezil‒huprine hybrid that has been found to display a promising in vitro multitarget profile of interest for the treatment of Alzheimer's disease (AD). Its synthesis features as the key step a novel multigram preparative chromatographic resolution of intermediate racemic huprine Y by chiral HPLC. Administration of this compound to transgenic CL4176 and CL2006 Caenorhabditis elegans strains expressing human Aβ42, here used as simplified animal models of AD, led to a significant protection from the toxicity induced by Aβ42. However, this protective effect was not accompanied, in CL2006 worms, by a reduction of amyloid deposits. Oral administration for 3 months to transgenic APPSL mice, a well-established animal model of AD, improved short-term memory, but did not alter brain levels of Aβ peptides nor cortical and hippocampal amyloid plaque load. Despite the clear protective and cognitive effects of AVCRI104P4, the lack of Aβ lowering effect in vivo might be related to its lower in vitro potency toward Aβ aggregation and formation as compared with its higher anticholinesterase activities. Further lead optimization in this series should thus focus on improving the anti-amyloid/anticholinesterase activity ratio.

DOENÇA DE ALZHEIMER: HIPÓTESES ETIOLÓGICAS E PERSPECTIVAS DE TRATAMENTO

With the increase in life expectancy registered in the past few decades, the prevalence of various medical conditions related to aging has been observed, such as dementia and related neurodegenerative conditions. The number of patients afflicted with these conditions is expected to significantly increase in the coming years. The growing social impact of dementia underlines the need for research aimed at identifying and better understanding this type of condition. Among neurodegenerative diseases, amyloidogenic diseases, in particular Alzheimer's disease (AD), are currently the most common form of dementia. Over the years, several hypotheses have been raised regarding the etiology of AD, such as the cholinergic, glutamatergic, amyloid cascade, oligomeric, metallic and diabetes type 3 hypotheses. Unfortunately, no cure is yet available for this disease, only drugs that aid in controlling the symptoms. This review article conducts a comprehensive approach of the main etiological hypotheses of AD, as well as the treatment prospects associated with each hypothesis.

A new brain metalloendopeptidase which degrades the Alzheimer ß-amyloid 1-40 peptide producing soluble fragments without neurotoxic effects

A new metalloendopeptidase was purified to apparent homogeneity from a homogenate of normal human brain using successive steps of chromatography on DEAE-Trisacryl, hydroxylapatite and Sephacryl S-200. The purified enzyme cleaved the Gly33-Leu34 bond of the 25-35 neurotoxic sequence of the Alzheimer ß-amyloid 1-40 peptide producing soluble fragments without neurotoxic effects. This enzyme activity was only inhibited by divalent cation chelators such as EDTA, EGTA and o-phenanthroline (1 mM) and was insensitive to phosphoramidon and captopril (1 µM concentration), specific inhibitors of neutral endopeptidase (EC 3.4.24.11) and angiotensin-converting enzyme (EC 3.4.15.1), respectively. The high affinity of this human brain endopeptidase for ß-amyloid 1-40 peptide (Km = 5 µM) suggests that it may play a physiological role in the degradation of this substance produced by normal cellular metabolism. It may also be hypothesized that the abnormal accumulation of the amyloid ß-protein in Alzheimer's disease may be initiated by a defect or an inactivation of this enzyme.

Working memory in Alzheimer’s disease and mild cognitive impairment (MCI) : assessment and intervention

L’objectif principal de cette thèse est d’examiner et d’intervenir auprès des déficits de la mémoire de travail (MdeT) à l’intérieur de deux populations cliniques : la maladie d’Alzheimer (MA) et le trouble cognitif léger (TCL). La thèse se compose de trois articles empiriques. Le but de la première expérimentation était d’examiner les déficits de MdeT dans le vieillissement normal, le TCL et la MA à l’aide de deux versions de l’empan complexe : l’empan de phrases et l’empan arithmétique. De plus, l’effet de «l’oubli» (forgetting) a été mesuré en manipulant la longueur de l’intervalle de rétention. Les résultats aux tâches d’empan complexe indiquent que la MdeT est déficitaire chez les individus atteints de TCL et encore plus chez les gens ayant la MA. Les données recueillies supportent également le rôle de l’oubli à l’intérieur de la MdeT. L’augmentation de l’intervalle de rétention exacerbait le déficit dans la MA et permettait de prédire un pronostic négatif dans le TCL. L’objectif de la deuxième étude était d’examiner la faisabilité d’un programme d’entraînement cognitif à l’ordinateur pour la composante de contrôle attentionnel à l’intérieur de la MdeT. Cette étude a été réalisée auprès de personnes âgées saines et de personnes âgées avec TCL. Les données de cette expérimentation ont révélé des effets positifs de l’entraînement pour les deux groupes de personnes. Toutefois, l’absence d’un groupe contrôle a limité l’interprétation des résultats. Sur la base de ces données, la troisième expérimentation visait à implémenter une étude randomisée à double-insu avec groupe contrôle d’un entraînement du contrôle attentionnel chez des personnes TCL avec atteinte exécutive. Ce protocole impliquait un paradigme de double-tâche composé d’une tâche de détection visuelle et d’une tâche de jugement alpha-arithmétique. Alors que le groupe contrôle pratiquait simplement la double-tâche sur six périodes d’une heure chacune, le groupe expérimental recevait un entraînement de type priorité variable dans lequel les participants devaient gérer leur contrôle attentionnel en variant la proportion de ressources attentionnelles allouée à chaque tâche. Les résultats montrent un effet significatif de l’intervention sur une des deux tâches impliquées (précision à la tâche de détection visuelle) ainsi qu’une tendance au transfert à une autre tâche d’attention divisée, mais peu d’effets de généralisation à d’autres tâches d’attention. En résumé, les données originales rapportées dans la présente thèse démontrent un déficit de la MdeT dans les maladies neurodégénératives liées à l’âge, avec un gradient entre le TCL et la MA. Elles suggèrent également une préservation de la plasticité des capacités attentionnelles chez les personnes à risque de développer une démence.

La nutrition des personnes âgées en stades précoces de la démence du type Alzheimer (DTA) : exploration du rôle du proche aidant et des répercussions sur sa santé

Contexte : La détérioration de l’état nutritionnel liée à la perte d’autonomie qui accompagne l’évolution de la démence du type Alzheimer (DTA) peut être limitée par un proche aidant efficace. À long terme, le rôle soignant du proche aidant peut affecter sa propre santé physique et psychologique. Objectifs : (1) décrire les caractéristiques sociodémographiques des patients et de leurs proches aidants; (2) examiner l’évolution de la maladie et des variables à l’étude au cours de la période de suivi; (3) explorer la relation possible entre le fardeau perçu du proche aidant, l’état nutritionnel des patients et la stabilité du poids corporel du proche aidant. Hypothèses : L’absence du fardeau chez l’aidant est associée à un meilleur état nutritionnel chez le patient; la détérioration de la fonction cognitive chez le patient s’accompagne d’une augmentation du fardeau perçu par l’aidant; la dégradation du fardeau chez l’aidant conduit à sa perte de poids. Méthode : Les données analysées proviennent de l’étude « Nutrition-mémoire » menée entre 2003 et 2006 dans les trois cliniques de cognition situées dans des hôpitaux universitaires à Montréal. Quarante-deux patients avec une DTA probable vivant dans la communauté et leurs aidants ont été suivis en dyades pendant une période de dix-huit mois. Les analyses ont porté sur les données colligées du recrutement à douze mois plus tard en raison du nombre restreint des patients interviewés à la dernière mesure. La relation entre le fardeau de l’aidant et les variables caractérisant l’état nutritionnel chez les patients a été évaluée à l’aide des analyses de corrélations, du test khi-carré ou du test de Fisher. L’état cognitif des patients était évalué à l’aide du score au Mini-Mental State Examination, le fardeau de l’aidant était estimé par le score au « Zarit Burden Interview », l’état nutritionnel des patients était défini par la suffisance en énergie et en protéines, le score à l’outil de dépistage nutritionnel des aînés, le poids et l’indice de masse corporelle des patients. Résultats : Le fardeau perçu des aidants était associé à la suffisance en énergie chez les patients. Le nombre de patients ayant des apports insuffisants en énergie était plus important chez les dyades où les aidants percevaient un fardeau plus élevé. Toutefois, aucune association n’a été observée entre le fardeau des aidants et le risque nutritionnel ou la suffisance en protéines chez les patients. La détérioration de la fonction cognitive des patients ne semble pas avoir provoqué une augmentation du fardeau chez leurs aidants. De plus, l’augmentation du fardeau de l’aidant n’était pas accompagnée d’une perte de son poids corporel. Par ailleurs, un fardeau plus important a été observé chez les aidants des patients obèses ou présentant un embonpoint. Conclusion : La réduction du fardeau perçu des aidants permettrait d’améliorer les apports alimentaires des patients et ainsi de limiter ou minimiser le risque de détérioration de leur état nutritionnel et de perte de poids.

La sécrétion de la protéine Tau : nouveau mécanisme de propagation de la pathologie de Tau dans la maladie d'Alzheimer

Tau est une protéine associée aux microtubules enrichie dans l’axone. Dans la maladie d’Alzheimer, Tau devient anormalement hyperphosphorylée, s’accumule dans le compartiment somato-dendritique et s’agrège pour former des enchevêtrements neurofibrillaires (NFTs). Ces NFTs se propagent dans le cerveau dans un ordre bien précis. Ils apparaissent d’abord dans le cortex transenthorinal pour ensuite se propager là où ces neurones projettent, c’est-à-dire au cortex entorhinal. Les NFTs s’étendent ensuite à l’hippocampe puis à différentes régions du cortex et néocortex. De plus, des études récentes ont démontré que la protéine Tau peut être sécrétée par des lignées neuronales et que lorsqu’on injecte des agrégats de Tau dans un cerveau de souris, ceux-ci peuvent pénétrer dans les neurones et induire la pathologie de Tau dans le cerveau. Ces observations ont mené à l’hypothèse que la protéine Tau pathologique pourrait être sécrétée par les neurones, pour ensuite être endocytée par les cellules avoisinantes et ainsi propager la maladie. L’objectif de la présente étude était donc de prouver la sécrétion de la protéine Tau par les neurones et d’identifier par quelle voie elle est secrétée. Nos résultats ont permis de démontrer que la protéine Tau est sécrétée par des neurones corticaux de souris de type sauvage ainsi que dans un modèle de surexpression dans des cellules HeLa et PC12. Nos résultats indiquent que la sécrétion de Tau se ferait par les autophagosomes. Finalement, nous avons démontré que la protéine Tau sécrétée est déphosphorylée et clivée par rapport à la protéine Tau intracellulaire non sécrétée.