Dracocephalum moldavica L. and Melissa officinalis L. : Chemistry and Bioactivities Relevant in Alzheimer’s Disease Therapy

Oksidatiivisen stressin eli liiallisen reaktiivisten happiyhdisteiden määrän soluissa on jo pitkään arveltu olevan tärkeä Alzheimerin taudin kehittymiseen ja etenemiseen vaikuttava tekijä. Tämän vuoksi kiinnostus erilaisten antioksidanttien (yhdisteitä, jotka neutraloivat näitä happiradikaaleja soluissa) mahdollisia terapeuttisia ominaisuuksia Alzheimerin taudin hoidossa on tutkittu laajalti. Tähän mennessä ei kuitenkaan ole vielä onnistuttu löytämään antioksidanttia, joka olisi hyödyksi Alzheimerin taudin hoidossa. Tämän vuoksi on tärkeää pyrkiä löytämään uusia antioksidanttien lähteitä sekä tutkia niistä löytyviä aktiivisia yhdisteitä. Kiinnostus luonnon antioksidantteja kohtaan on kasvanut voimakkaasti viime aikoina. Huomio on kiinnittynyt erityisesti aromaattisista sekä lääkekasveista löytyviin antioksidantteihin. Lamiaceae- perheeseen kuuluvia tuoksuampiaisyrttiä (Dracocephalum moldavica L.) ja sitruunamelissaa (Melissa officinalis L.) on käytetty Iranissa pitkään sekä ruoanlaitossa että lääkinnässä, minkä vuoksi näiden kasvien uutteiden antioksidanttisisältöä päätettiin analysoida käyttäen useaa erilaista in vitro- menetelmää. Näissä kokeissa ilmeni, että uutteilla oli useita antioksidanttisia vaikutuksia. Näistä antioksidanttisista vaikutuksista vastaavia yhdisteitä pyrittiin tunnistamaan käyttäen HPLC-PDA- tekniikkaa, minkä seurauksena niiden havaittiin sisältävän erilaisia polyfenoleita, kuten hydroksyloituneita bentsoeeni- ja cinnamamidihapon johdannaisia sekä flavonoideja. Kummankin kasvin uutteissa runsaimmin esiintynyt yhdiste oli rosmariinihappo. Sitruunamelissaa (M. officinalis) on käytetty antiikin ajoista alkaen kognitiivisten toimintojen häiriöiden hoidossa. Perustuen tietoon kasvin käytöstä perinteisessä lääkinnässä, sen tehoa Alzheimerin taudin hoidossa on tutkittu viime aikoina kliinisin kokein. Sitruunamelissan todettiinkin olevan hyödyksi lievää ja keskivaikeaa Alzheimeimerin tautia sairastavien potilaiden hoidossa. Väitöskirjan osanan olevasta kooste-artikkelista käy ilmi, että tutkimalla lääkekasvien ominaisuuksia voidaan saada arvokkaita suuntaa-antavia vihjeitä Alzheimerin taudin lääkehoidon kehittämiseen. Tämän perusteella päätettiinkin testatata myös sitruunamelissauutteen kykyä estää asetyylikoliiniesteraasin (AChE) toimintaa, koska tämän entsyymin toiminna estämisen tiedetään olevan hyödyksi Alzheimerin taudin hoidossa. Uute kykeni estämään AChE:n toimintaa, minkä vuoksi uutteen sisältämiä komponentteja päätettiin tutkia terkemmin. Uute jaettiin erilaisiin fraktioihin käyttäen HPLC-menetelmää, minkä jälkeen testattiin jokaisen fraktion kykyä inhiboida AchE. Suurin osa fraktioista kykeni inhiboimaan AChE:n toimintaa selkeästi tehokkaammin, kuin raakauute. Kaikista tehokkainta fraktiota analysoitiin tarkemmin sen aktiivisten yhdisteiden tunnistamiseksi, minkä seurauksena sen sisältämät yhdisteet tunnistettiin cis ja trans-rosmariinihapoiksi. Tässä tutkimuksessa tunnistettujen yhdisteiden hyödyllisyyttä Alzheimerin taudin hoidossa tulisi seuraavaksi tutkia erilaisissa in vivo-malleissa. Lisäksi jäljellä olevien fraktioiden kemiallinen koostumus tulisi selvittää sekä antioksidanttiaktiivisuuden ja AChE:n toiminnan inhiboinnin välistä mahdollista yhteyttä tulisi tutkia tarkemmin. Tämä tutkimus osoittaa tuoksuampiasyrtin (D. moldavica) sekä sitruunamelissan (M. officinalis) sisältävän monenlaisia aktiivisia antioksidantteja. Lisäksi sitruunamelissan sisältämät yhdisteet kykenivät estämään asetyylikoliiniesteraasin (AchE) toimintaa. Nämä tulokset tukevat osaltaan väitöskirjan osana olevan kooste-artikkelin johtopäätöksiä, joiden mukaan etnofarmakologinen kasvitutkimus voi osoittautua erittäin hyödylliseksi kehitettäessä uutta lääkehoitoa Alzheimerin tautiin. Lisäksi tässä väitöskirjassa kuvattu tutkimus osoittaakin, että perinteisesti lääkekasvina käytettyä sitruunamelissaa voidaan mahdollisesti hyödyntää uusien Alzheimerin taudin hoitoon käytettävien lääkkeiden kehityksessä.

Intranasal Delivery of Plasma and Platelet Growth Factors Using PRGF-Endoret System Enhances Neurogenesis in a Mouse Model of Alzheimer’s Disease

[EN] Neurodegeneration together with a reduction in neurogenesis are cardinal features of Alzheimer’s disease (AD) induced by a combination of toxic amyloid-β peptide (Aβ) and a loss of trophic factor support. Amelioration of these was assessed with diverse neurotrophins in experimental therapeutic approaches. The aim of this study was to investigate whether intranasal delivery of plasma rich in growth factors (PRGF-Endoret), an autologous pool of morphogens and proteins, could enhance hippocampal neurogenesis and reduce neurodegeneration in an amyloid precursor protein/presenilin-1 (APP/PS1) mouse model. Neurotrophic and neuroprotective actions were firstly evident in primary neuronal cultures, where cell proliferation and survival were augmented by Endoret treatment. Translation of these effects in vivo was assessed in wild type and APP/PS1 mice, where neurogenesis was evaluated using 5-bromodeoxyuridine (BdrU), doublecortin (DCX), and NeuN immunostaining 5 weeks after Endoret administration. The number of BrdU, DCX, and NeuN positive cell was increased after chronic treatment. The number of degenerating neurons, detected with fluoro Jade-B staining was reduced in Endoret-treated APP/PS1 mice at 5 week after intranasal administration. In conclusion, Endoret was able to activate neuronal progenitor cells, enhancing hippocampal neurogenesis, and to reduce Aβ-induced neurodegeneration in a mouse model of AD.

BACE1 Polymorphisms Do Not Influence Platelet Membrane β-secretase Activity or Genetic Susceptibility for Alzheimer’s Disease in the Northern Irish Population

ß-Site amyloid precursor protein (APP)-cleaving enzyme 1 (BACE1) is a biological and positional candidate gene for Alzheimer’s disease (AD). BACE1 is a protease that catalyses APP cleavage at the ß-secretase site. We evaluated all common and putatively functional polymorphisms in the genomic region encompassing BACE1 for an association with AD, and for functional effects on platelet ß-secretase activity. Tag SNPs (n = 10) derived from phase II of the International HapMap Project, and a nonsynonymous variant, were successfully genotyped in 901 Caucasian individuals from Northern Ireland using Sequenom iPLEX and TaqMan technologies. APOE genotyping was performed by PCR-RFLP. Platelet membrane ß-secretase activity was assayed in a subset of individuals (n = 311). Hardy–Weinberg equilibrium was observed for all variants. Evidence for an association with AD was observed with multi-marker haplotype analyses (P = 0.01), and with rs676134 when stratified for APOE genotype (P = 0.02), however adjusting for multiple testing negated the evidence for association of this variant with AD. ?2 analysis of genotype and allele frequencies in cases versus controls for individual SNPs revealed no evidence for association (5% level). No genetic factors were observed that significantly influenced platelet membrane ß-secretase activity. We have selected an appropriate subset of variants suitable for comprehensive genetic investigation of the BACE1 gene. Our results suggest that common BACE1 polymorphisms and putatively functional variants have no significant influence on genetic susceptibility to AD, or platelet ß-secretase activity, in this Caucasian Northern Irish population.

Investigation of the Human Brain Metabolome to Identify Potential Markers for Early Diagnosis and Therapeutic Targets of Alzheimer’s Disease

A study combining high resolution mass spectrometry (liquid chromatography-quadrupole time-of-flight-mass spectrometry, UPLC-QTof-MS) and chemometrics for the analysis of post-mortem brain tissue from subjects with Alzheimer’s disease (AD) (n = 15) and healthy age-matched controls (n = 15) was undertaken. The huge potential of this metabolomics approach for distinguishing AD cases is underlined by the correct prediction of disease status in 94–97% of cases. Predictive power was confirmed in a blind test set of 60 samples, reaching 100% diagnostic accuracy. The approach also indicated compounds significantly altered in concentration following the onset of human AD. Using orthogonal partial least-squares discriminant analysis (OPLS-DA), a multivariate model was created for both modes of acquisition explaining the maximum amount of variation between sample groups (Positive Mode-R2 = 97%; Q2 = 93%; root mean squared error of validation (RMSEV) = 13%; Negative Mode-R2 = 99%; Q2 = 92%; RMSEV = 15%). In brain extracts, 1264 and 1457 ions of interest were detected for the different modes of acquisition (positive and negative, respectively). Incorporation of gender into the model increased predictive accuracy and decreased RMSEV values. High resolution UPLC-QTof-MS has not previously been employed to biochemically profile post-mortem brain tissue, and the novel methods described and validated herein prove its potential for making new discoveries related to the etiology, pathophysiology, and treatment of degenerative brain disorders.

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

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.

Deciphering the mechanisms underlying the loss of BDNF neuroprotection in an Alzheimer’s disease model

Tese de mestrado, Neurociências, Faculdade de Medicina, Universidade de Lisboa, 2016

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.

Molecular mechanisms underlying deficient neurogenesis in Alzheimer’s disease

La neurogenèse est présente, dans le cerveau adulte, dans la zone sous-ventriculaire (ZSV) encadrant les ventricules latéraux et dans le gyrus dentelé (GD) de l’hippocampe, permettant l’apprentissage, la mémoire et la fonction olfactive. Ces micro-environnements possèdent des signaux contrôlant l’auto-renouvellement des cellules souches neurales (CSN), leur prolifération, leur destin et leur différenciation. Or, lors du vieillissement, les capacités régénératives et homéostatiques et la neurogenèse déclinent. Les patients atteints de la maladie d’Alzheimer (MA), comme le modèle animal reproduisant cette maladie (3xTg-AD), montrent une accélération des phénotypes liés au vieillissement dont une diminution de la neurogenèse. Notre hypothèse est que la découverte des mécanismes affectant la neurogenèse, lors du vieillissement et de la MA, pourrait fournir de nouvelles cibles thérapeutiques pour prévenir le déclin cognitif. Les études sur l’âge d’apparition et les mécanismes altérant la neurogenèse dans la MA sont contrastées et nous ont guidé vers deux études. L’examen des changements dans les étapes de la neurogenèse lors du vieillissement et du développement de la neuropathologie. Nous avons étudié la ZSV, les bulbes olfactifs et le GD de souris femelles de 11 et 18 mois, et l’apparition des deux pathologies associées à la MA : les plaques amyloïdes et les enchevêtrements neurofibrillaires. Nous avons découvert que les souris 3xTg-AD possèdent moins de cellules en prolifération, de progéniteurs et de neuroblastes, induisant une diminution de l’intégration de nouvelles cellules dans le GD et les bulbes olfactifs. Notons que le taux de neurogenèse chez ces souris de 11 mois est similaire à celui des souris de phénotype sauvage de 18 mois, indiquant une accélération des changements liés au vieillissement dans la MA. Dans la ZSV, nous avons aussi démontré une accumulation de gouttelettes lipidiques, suggérant des changements dans l’organisation et le métabolisme de la niche. Enfin, nous avons démontré que le déficit de la neurogenèse apparait lors des premières étapes de la MA, avant l’apparition des plaques amyloïdes et des enchevêtrements neurofibrillaires. A l’examen des mécanismes inhibant la neurogenèse lors de la MA, nous voyons que chez des souris de 5 mois, le déficit de la neurogenèse dans la ZSV et le GD est corrélé avec l’accumulation de lipides, qui coïncide avec l’apparition du déclin cognitif. Nous avons aussi découvert que dans le cerveau humain de patients atteints de la MA et dans les 3xTg-AD, des gouttelettes lipidiques s’accumulaient dans les cellules épendymaires, représentant le principal soutien des CSN de la niche. Ces lipides sont des triglycérides enrichis en acide oléique qui proviennent de la niche et pas d’une défaillance du système périphérique. De plus, l’infusion locale d’acide oléique chez des souris de phénotype sauvage permet de reproduire l’accumulation de triglycérides dans les cellules épendymaires, comme dans la MA. Ces gouttelettes induisent un dérèglement de la voie de signalisation Akt-FoxO3 dans les CSN, menant à l’inhibition de leur activation in vitro et in vivo. Ces résultats permettent une meilleure compréhension de la régulation de la neurogenèse par le métabolisme lipidique. Nous avons démontré un nouveau mécanisme par lequel l’accumulation des lipides dans la ZSV induit une inhibition des capacités de prolifération et de régénération des CSN lors de la MA. Les travaux futurs permettront de comprendre comment et pourquoi le métabolisme lipidique du cerveau est altéré dans la MA, ce qui pourrait offrir de nouvelles voies thérapeutiques pour la prévention et la régénération.