Etikettering en beeldvorming van amyloïde plaques in hersenweefsel met behulp van de natuurlijke Polyphenol curcumine
Summary
Curcumine is een ideale de voor het labelen en beeldvorming van amyloïde beta eiwit plaques in hersenweefsel als gevolg van de preferentiële binding aan amyloïde beta-eiwit, alsmede de structurele gelijkenissen met andere traditionele amyloïde bindende kleurstoffen. Het kan worden gebruikt om te labelen en beeld amyloïde beta eiwit plaques efficiënter en goedkoop dan traditionele methoden.
Abstract
De afzetting van amyloïde bèta-eiwitten (Aβ) in extra-en intracellulaire ruimten is een van de kenmerkende pathologieën van de ziekte van Alzheimer (AD). Daarom is detectie van de aanwezigheid van Aβ in AD hersenweefsel een waardevol hulpmiddel voor het ontwikkelen van nieuwe behandelingen om de progressie van AD te voorkomen. Er zijn verschillende klassieke amyloïde bindende kleurstoffen, fluorochrome, Imaging sondes en Aβ-specifieke antilichamen gebruikt om Aβ histochemisch op te sporen in AD hersenweefsel. Gebruik van deze verbindingen voor Aβ-detectie is kostbaar en tijdrovend. Vanwege zijn intense fluorescentie activiteit, hoge affiniteit en specificiteit voor Aβ, evenals structurele gelijkenissen met traditionele amyloïde bindende kleurstoffen, is curcumine (CUR) een veelbelovende kandidaat voor het labelen en beeldvorming van Aβ-plaques bij postmortem hersenweefsel. Het is een natuurlijke polyfenol van het kruid Curcuma longa. In de huidige studie, cur werd gebruikt om histochemisch label Aβ plaques van zowel een genetische muismodel van 5x familiaire ziekte van Alzheimer (5xFAD) en van menselijke AD weefsel binnen een minuut. Het etiketterings vermogen van cur werd vergeleken met conventionele amyloïde bindende kleurstoffen, zoals thioflavine-S (thio-S), Congo rood (CR) en fluoro-Jade C (FJC), evenals Aβ-specifieke antilichamen (6E10 en A11). We hebben geconstateerd dat cur de meest goedkope en snelste manier is om Aβ-plaques te labelen en te afbeeldenten in vergelijking met deze conventionele kleurstoffen en is vergelijkbaar met Aβ-specifieke antilichamen. Daarnaast bindt cur met de meeste Aβ-soorten, zoals oligomeren en fibrils. Daarom kan cur worden gebruikt als de meest kosteneffectieve, eenvoudige en snelle fluorochrome detectie-agent voor Aβ-plaques.
Introduction
De ziekte van Alzheimer (AD) is een van de meest voorkomende, leeftijdsgebonden, progressieve neurologische aandoeningen en een van de belangrijkste doodsoorzaken wereldwijd1,2. Leren, geheugen en cognitie stoornissen, samen met neuropsychiatrische stoornissen, zijn de veelvoorkomende symptomen die zich manifesteren in AD3. Hoewel de etiologie van AD niet volledig is opgehelderd, geeft het beschikbare genetische, biochemische en experimentele bewijs aan dat de geleidelijke afzetting van Aβ een definitieve biomarker voor AD4is. Dit misgevouwen eiwit hoopt zich op in intracellulaire en extracellulaire ruimten en wordt verondersteld te worden betrokken bij synaptische verlies, verhoogde neuro ontsteking, en neurodegeneratie in de corticale en hippocampal regio’s in de hersenen beïnvloed door AD5. Daarom is histochemische detectie van Aβ in het AD-weefsel een cruciale eerste stap in het ontwikkelen van niet-toxische, anti-amyloïde geneesmiddelen om de progressie van de advertentie te voorkomen.
In de afgelopen decennia zijn verschillende kleurstoffen en antilichamen door veel onderzoeklaboratoria gebruikt om Aβ-plaques in hersenweefsel te labelen en te afbeelden, maar sommige van deze methoden zijn tijdrovend en de gebruikte kleurstoffen of antilichamen zijn duur, waarvoor meerdere accessoires nodig zijn Chemische stoffen. Daarom zou de ontwikkeling van een goedkope manier van detectie van Aβ-plaques in de AD-hersenen een welkome nieuwe tool zijn. Veel laboratoria begonnen met het gebruik van cur, een veelbelovende anti-amyloïde natuurlijke polyfenol, voor labeling en beeldvorming Aβ, evenals een therapeutische agent voor AD6,7,8,9. De hydrofobiciteit en lypofiele aard, structurele gelijkenissen met klassieke amyloïde bindende kleurstoffen, sterke fluorescentie activiteit, evenals sterke affiniteit om te binden met Aβ maakt het een ideale de voor het labelen en beeldvorming van Aβ-plaques in AD-weefsel10 . Cur bindt met Aβ-plaques en oligomeren en de aanwezigheid ervan wordt ook gedetecteerd in intracellulaire ruimten7,11,12,13. Bovendien is aangetoond dat minimale hoeveelheden (1 − 10 nM) van cur can label Aβ plaques in 5x familiaire ziekte van Alzheimer (5xFAD) hersenweefsel7. Hoewel de concentratie van 1 nM niet de optimale fluorescentie intensiteit biedt voor het tellen van Aβ-plaques, is een concentratie van 10 nM of hoger van cur. Ran en collega’s14 rapporteerden dat doses van slechts 0,2 nm van difluorboron-derivatized cur in vivo Aβ-afzettingen kunnen detecteren, evenals een infrarood sonde. Of deze dosis voldoende is om Aβ-plaques in weefsel te labelen, is nog steeds niet duidelijk. De meeste eerdere studies hebben 20 − 30 minuten gebruikt voor het kleuring van Aβ-plaques met behulp van cur, maar optimale kleuring kan veel minder tijd vergen.
De huidige studie werd ontworpen om de minimale tijd die door cur nodig is om Aβ-plaques in AD-hersenweefsel te labelen en om de gevoeligheid voor etikettering en beeldvorming van Aβ-plaques in hersenweefsel van de 5xFAD-muizen te vergelijken na kleuring met cur met andere conventionele Aβ-bindende kleurstoffen, zoals Thioflavine-S (thio-S), Congo rood (CR), en fluoro-Jade C (FJC). Het Aβ-etiketterings vermogen van deze klassieke amyloïde bindings kleurstoffen werd vergeleken met de huidige kleuring in paraffine-ingesloten en cryostaat coronale hersen secties van 5xFAD-muizen en van verouderde menselijke AD-en controle hersenweefsel. De bevindingen suggereren dat de cur-labels Aβ-plaques op een manier die vergelijkbaar is met Aβ-specifieke antilichamen (6E10) en matig beter dan thio-S, CR of FJC. Bovendien, wanneer intraperitoneale injecties van cur tot 5xFAD muizen werden toegediend voor 2 − 5 dagen, het stak de bloed-hersen barrière en gebonden met Aβ plaques7. Interessant is dat de nanomolaire concentraties van cur zijn gebruikt om Aβ-plaques in 5xfad-hersenweefsel7,14te labelen en te afbeelden. Bovendien kunnen morfologisch verschillende Aβ-plaques, zoals kern-, neuritische, diffuse en uitgebrande plaques, door cur efficiënter worden gelabeld dan met een van de andere conventionele amyloïde bindings kleurstoffen7. Overall, cur kan worden toegepast op etiket en beeld Aβ plaques in Postmortem hersenweefsel van AD diermodellen en/of menselijk AD weefsel op een eenvoudige en goedkope manier, als een betrouwbaar alternatief voor Aβ-specifieke antilichamen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Onze hypothese was dat cur zou kunnen worden gebruikt als de snelste, eenvoudigste en minst dure manier om Aβ-plaques in het postmortemad hersenweefsel te labelen en te afbeeldenten in vergelijking met andere klassieke amyloïde bindende kleurstoffen, evenals Aβ-specifieke antilichamen. De doelstellingen van deze studie waren het bepalen van de minimumtijd die nodig is om Aβ-plaques te labelen en te afbeelden door cur in het postmortemad hersenweefsel en te bepalen of cur kan worden gebruikt als alternatief voor Aβ-a…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ondersteuning voor deze studie kwam van het veld Neurosciences Institute op Ascension of St. Mary’s.
Materials
| 4′,6-diamidino-2-phenylindole (DAPI) | IHC world, Woodstock, MD | ||
| Aanimal model of Alzheimer's disease | Jackson's laboratory, Bar Harbor, ME | ||
| Absolute alcohol | VWR,Radnor, PA | ||
| Alexa 594 | Santacruz Biotech, Dallas, TX | ||
| Antibody 6E10 | Biolegend, San Diego, CA | ||
| Antibody A11 | Millipore, Burlington, MA | ||
| Compound light microscope | Olympus, Shinjuku, Japan | Olympus BX51 | |
| Congo red | Sigma, St. Louis, MO | ||
| Cryostat | GMI, Ramsey, MN | LeicaCM1800 | |
| Curcumin | Sigma, St. Louis, MO | ||
| Disodium hydrogen phosphate | Sigma, St. Louis, MO | ||
| Dystyrene plasticizer xylene | BDH, Dawsonville, GA | ||
| Filter papers | Fisher scientific, Pittsburgh, PA | ||
| Hoechst-33342 | Sigma, St. Louis, MO | ||
| Inverted fluorescent microscope | Leica, Buffalo Grove, IL | Leica DMI 6000B | |
| Inverted fluorescent microscope | Olympus, Shinjuku, Japan | Olympus 1×70 | |
| Normal goat serum | Sigma, St. Louis, MO | ||
| Paraffin | Sigma, St. Louis, MO | ||
| Paraformaldehyde | Sigma, St. Louis, MO | ||
| Ploy-lysine coated charged glass slide | Globe Scientific Inc, Mahwah, NJ | ||
| Potassium chloride | Sigma, St. Louis, MO | ||
| Potassium dihydrogen phosphate | Sigma, St. Louis, MO | ||
| Sodium azide | Sigma, St. Louis, MO | ||
| Sodium chloride | Sigma, St. Louis, MO | ||
| Sodium hydroxide | EMD Millipore, Burlington, MA | ||
| Sodium pentobarbital | Vortex Pharmaceuticals limited, Dearborn, MI | ||
| Thioflavin-S | Sigma, St. Louis, MO | ||
| Triton-X-100 | Sigma, St. Louis, MO | ||
| Xylene | VWR,Radnor, PA |
References
- Cummings, J. L. Alzheimer’s disease. New England Journal of Medicine. 351 (1), 56-67 (2004).
- Jack, C. R., Holtzman, D. M. Biomarker modeling of Alzheimer’s disease. Neuron. 80 (6), 1347-1358 (2013).
- Tarawneh, R., Holtzman, D. M. The clinical problem of symptomatic Alzheimer disease and mild cognitive impairment. Cold Spring Harbor Perspectives in Medicine. 2 (5), (2012).
- Selkoe, D. J. Cell biology of protein misfolding: the examples of Alzheimer’s and Parkinson’s diseases. Nature Cell Biology. 6 (11), 1054-1061 (2004).
- Hardy, J., Allsop, D. Amyloid deposition as the central event in the aetiology of Alzheimer’s disease. Trends in Pharmacological Sciences. 12 (10), 383-388 (1991).
- Chen, M., et al. Use of curcumin in diagnosis, prevention, and treatment of Alzheimer’s disease. Neural Regeneration Research. 13 (4), 742-752 (2018).
- Maiti, P., et al. A comparative study of dietary curcumin, nanocurcumin, and other classical amyloid-binding dyes for labeling and imaging of amyloid plaques in brain tissue of 5x-familial Alzheimer’s disease mice. Histochemistry and Cell Biology. 146 (5), 609-625 (2016).
- Maiti, P., Dunbar, G. L. Use of Curcumin, a Natural Polyphenol for Targeting Molecular Pathways in Treating Age-Related Neurodegenerative Diseases. International Journal of Molecular Sciences. 19 (6), (2017).
- Maiti, P., Dunbar, G. L. Comparative Neuroprotective Effects of Dietary Curcumin and Solid Lipid Curcumin Particles in Cultured Mouse Neuroblastoma Cells after Exposure to Abeta42. International Journal of Alzheimer’s Disease. , (2017).
- den Haan, J., Morrema, T. H. J., Rozemuller, A. J., Bouwman, F. H., Hoozemans, J. J. M. Different curcumin forms selectively bind fibrillar amyloid beta in post mortem Alzheimer’s disease brains: Implications for in-vivo diagnostics. Acta Neuropathologica Communications. 6 (1), 75 (2018).
- Koronyo, Y., et al. Retinal amyloid pathology and proof-of-concept imaging trial in Alzheimer’s disease. JCI Insight. 2 (16), (2017).
- Koronyo, Y., Salumbides, B. C., Black, K. L., Koronyo-Hamaoui, M. Alzheimer’s disease in the retina: imaging retinal abeta plaques for early diagnosis and therapy assessment. Neurodegenerative Diseases. 10 (1-4), 285-293 (2012).
- Koronyo-Hamaoui, M., et al. Identification of amyloid plaques in retinas from Alzheimer’s patients and noninvasive in vivo optical imaging of retinal plaques in a mouse model. NeuroImage. 54 (Suppl 1), S204-S217 (2011).
- Ran, C., et al. Design, synthesis, and testing of difluoroboron-derivatized curcumins as near-infrared probes for in vivo detection of amyloid-beta deposits. Journal of the American Chemical Society. 131 (42), 15257-15261 (2009).
- Beach, T. G. The Sun Health Research Institute Brain Donation Program: Description and Experience, 1987-2007. Cell Tissue Bank. 9 (3), 229-245 (2008).
- Green, S. J., Killiany, R. J. Subregions of the inferior parietal lobule are affected in the progression to AD. Neurobiology of Aging. 31 (8), 1304-1311 (2010).
- Ono, K., Hasegawa, K., Naiki, H., Yamada, M. Curcumin has potent anti-amyloidogenic effects for Alzheimer’s beta-amyloid fibrils in vitro. Journal of Neuroscience Research. 75 (6), 742-750 (2004).
- Garcia-Alloza, M., Borrelli, L. A., Rozkalne, A., Hyman, B. T., Bacskai, B. J. Curcumin labels amyloid pathology in vivo, disrupts existing plaques, and partially restores distorted neurites in an Alzheimer mouse model. Journal of Neurochemistry. 102 (4), 1095-1104 (2007).
- Mutsuga, M., et al. Binding of curcumin to senile plaques and cerebral amyloid angiopathy in the aged brain of various animals and to neurofibrillary tangles in Alzheimer’s brain. Journal of Veterinary Medical Science. 74 (1), 51-57 (2012).
- Tei, M., Uchida, K., Mutsuga, M., Chambers, J. K., Nakayama, H. The binding of curcumin to various types of canine amyloid proteins. Journal of Veterinary Medical Science. 74 (4), 481-483 (2012).
- Liu, L., Komatsu, H., Murray, I. V., Axelsen, P. H. Promotion of amyloid beta protein misfolding and fibrillogenesis by a lipid oxidation product. Journal of Molecular Biology. 377 (4), 1236-1250 (2008).
- Wu, C., Scott, J., Shea, J. E. Binding of Congo red to amyloid protofibrils of the Alzheimer Abeta(9-40) peptide probed by molecular dynamics simulations. Biophysical Journal. 103 (3), 550-557 (2012).
- Wu, C., Wang, Z., Lei, H., Zhang, W., Duan, Y. Dual binding modes of Congo red to amyloid protofibril surface observed in molecular dynamics simulations. Journal of the American Chemical Society. 129 (5), 1225-1232 (2007).
- Gutierrez, I. L., et al. Alternative Method to Detect Neuronal Degeneration and Amyloid beta Accumulation in Free-Floating Brain Sections With Fluoro-Jade. ASN Neuro Methods. 10, 1-7 (2018).
- Yang, F., et al. Curcumin inhibits formation of amyloid beta oligomers and fibrils, binds plaques, and reduces amyloid in vivo. Journal of Biological Chemistry. 280 (7), 5892-5901 (2005).
