Märkning och avbildning av amyloida plack i hjärnvävnad med hjälp av naturliga polyfenol Curcumin
Summary
Curcumin är en idealisk fluorophore för märkning och avbildning av amyloid beta protein plack i hjärnvävnad på grund av dess preferens bindning till amyloid beta protein samt dess strukturella likheter med andra traditionella amyloid bindande färgämnen. Det kan användas för att märka och avbilda amyloid beta protein plack mer effektivt och billigt än traditionella metoder.
Abstract
Avsättning av amyloid beta protein (Aβ) i extra-och intracellulära utrymmen är en av de kännetecken patologier av Alzheimers sjukdom (AD). Därför, detektion av närvaron av Aβ i AD hjärnvävnad är ett värdefullt verktyg för att utveckla nya behandlingar för att förhindra utvecklingen av AD. Flera klassiska amyloid bindande färgämnen, fluorochrome, Imaging sonder, och Aβ-specifika antikroppar har använts för att upptäcka Aβ histochemically i AD hjärnvävnad. Användning av dessa föreningar för Aβ detektion är kostsamt och tidskrävande. Men på grund av dess intensiva fluorescerande aktivitet, hög affinitet, och specificitet för Aβ, samt strukturella likheter med traditionella amyloid bindande färgämnen, Curcumin (cur) är en lovande kandidat för märkning och avbildning av Aβ plack i efter döden Hjärnvävnad. Det är en naturlig polyfenol från ört Curcuma Longa. I den föreliggande studien användes cur till histokemiskt etikett Aβ-plack från både en genetisk musmodell av 5x familjär Alzheimers sjukdom (5xFAD) och från mänsklig annons vävnad inom en minut. Märknings förmågan hos cur jämfördes med konventionella amyloid bindande färgämnen, såsom thioflavin-S (Thio-S), kongorött (CR), och fluoro-Jade C (FJC), samt Aβ-specifika antikroppar (6E10 och A11). Vi observerade att cur är det billigaste och snabbaste sättet att märka och bild Aβ plack jämfört med dessa konventionella färgämnen och är jämförbar med Aβ-specifika antikroppar. Dessutom, cur binder med de flesta Aβ arter, såsom oligomerer och fibriller. Därför kan cur användas som den mest kostnadseffektiva, enkla och snabba detektions agenten för fluorkrom för Aβ-plack.
Introduction
Alzheimers sjukdom (AD) är en av de vanligaste, åldersrelaterade, progressiva neurologiska störningar och en av de främsta dödsorsakerna i världen1,2. Inlärning, minne, och kognition försämring, tillsammans med neuropsykiatriska störningar, är de vanligaste symtomen manifesteras i AD3. Även om ANNONSENS etiologi inte är helt klarlagd, tyder de tillgängliga genetiska, biokemiska och experimentella bevisen på att successiv deposition av Aβ är en definitiv biomarkör för AD4. Detta felvikt protein ackumuleras i intracellulära och extracellulära utrymmen och tros vara inblandade i synaptisk förlust, ökad neuroinflammation, och neurodegeneration i kortikala och Hippocampus regioner i hjärnan påverkas av AD5. Därför, histokemiska detektion av Aβ i annons vävnad är ett viktigt första steg i utvecklingen av giftfria, anti-amyloid läkemedel för att förhindra annons progression.
Under de senaste decennierna, flera färgämnen och antikroppar har använts av många forskningslaboratorier för att märka och bild Aβ plack i hjärnvävnad, men vissa av dessa metoder är tidskrävande och färgämnen eller antikroppar som används är dyra, kräver flera tillbehör Kemikalier. Därför skulle utvecklingen av ett billigt sätt att upptäcka Aβ plack i annonsen hjärnan vara ett välkommet nytt verktyg. Många laboratorier började använda cur, en lovande anti-amyloid naturliga polyfenol, för märkning och avbildning Aβ, samt ett terapeutiskt medel för AD6,7,8,9. Dess vattenavvisande egenskaper och lypophilic natur, strukturella likheter med klassiska amyloid bindande färgämnen, stark fluorescerande aktivitet, samt stark affinitet att binda med Aβ gör det en idealisk fluorofore för märkning och avbildning av Aβ plack i AD vävnad10 . CUR binder med Aβ-plack och oligomerer och dess närvaro upptäcks också i intracellulära utrymmen7,11,12,13. Dessutom har det visats att minimala mängder (1 − 10 nM) av nuvarande kan märka Aβ plack i 5x familjär Alzheimers sjukdom (5xFAD) hjärnvävnad7. Även om 1 nM-koncentrationen inte ger optimal fluorescensintensitet för räkning av Aβ-plack, är en 10 nM eller högre koncentration av cur. Ran och kollegor14 rapporterade att doser så låga som 0,2 nm i difluoroboron-derivatized cur kan upptäcka in vivo Aβ insättningar nästan samt en infraröd sond. Om denna dos är tillräcklig för att märka Aβ plack i vävnad är fortfarande oklart. De flesta tidigare studier har använt 20 − 30 min för färgning av Aβ plack med cur, men optimal färgning kan kräva mycket mindre tid.
Den föreliggande studien utformades för att testa den kortaste tid som krävs för att för att märka Aβ-plack i AD hjärnvävnad och jämföra känsligheten för märkning och avbildning av Aβ-plack i hjärnvävnad från 5xFAD-möss efter färgning med cur med andra konventionella Aβ-bindande färgämnen, såsom Thioflavin-S (Thio-S), kongorött (CR), och fluoro-Jade C (FJC). Den Aβ märknings förmåga av dessa klassiska amyloid bindande färgämnen jämfördes med nuvarande färgning i paraffin-inbäddade och kryostat koronala hjärn sektioner från 5xFAD möss och från åldermatchad mänsklig annons och kontroll hjärnvävnad. Resultaten tyder på att nuvarande etiketter Aβ plack på ett sätt som liknar Aβ-specifika antikroppar (6E10) och måttligt bättre än Thio-S, CR, eller FJC. Dessutom, när intraperitoneala injektioner av cur till 5xFAD möss administrerades för 2 − 5 dagar, det passerade blod-hjärnbarriären och bunden med Aβ plack7. Intressant, nanomolar koncentrationer av cur har använts för att märka och bild Aβ plack i 5xfad hjärnvävnad7,14. Dessutom kan morfologiskt distinkta Aβ plack, såsom kärna, neuritiska, diffusa, och utbrända plack märkas med cur mer effektivt än med någon av de andra konventionella amyloid bindande färgämnen7. Sammantaget kan cur tillämpas på etikett och bild Aβ plack i efter döden hjärnvävnad från annons djurmodeller och/eller mänsklig annons vävnad på ett enkelt och billigt sätt, som ett tillförlitligt alternativ till Aβ-specifika antikroppar.
Protocol
Representative Results
Discussion
Vår hypotes var att cur skulle kunna användas som det snabbaste, enklaste och billigaste sättet att märka och bild Aβ plack i efter döden annons hjärnvävnad jämfört med andra klassiska amyloid bindande färgämnen, samt Aβ-specifika antikroppar. Syftet med denna studie var att fastställa den minsta tid som krävs för att märka och bild Aβ plack av cur i efter döden annons hjärnvävnad och avgöra om cur kan användas som ett alternativ till Aβ antikropp för märkning av Aβ plack. För detta ändamål …
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Stöd för denna studie kom från fältet Neurosciences Institute vid Ascension av 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 |
Riferimenti
- 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).
