Mærkning og billeddannelse af amyloid plaques i hjernevæv ved hjælp af den naturlige polyphenol curcumin
Summary
Curcumin er en ideel fluoroforet til mærkning og billeddannelse af amyloid beta protein plaques i hjernevæv på grund af sin præference binding til amyloid beta protein samt dens strukturelle ligheder med andre traditionelle amyloid binding farvestoffer. Det kan bruges til at mærke og billede amyloid beta protein plaques mere effektivt og billigt end traditionelle metoder.
Abstract
Deposition af amyloid beta protein (Aβ) i ekstra-og intracellulære rum er en af kendetegnende patologier af Alzheimers sygdom (AD). Derfor er påvisning af tilstedeværelsen af Aβ i AD hjernevæv et værdifuldt værktøj til udvikling af nye behandlinger for at forhindre progression af AD. Flere klassiske amyloid bindende farvestoffer, fluorchrom, billedbehandlings sonder og Aβ-specifikke antistoffer er blevet anvendt til at påvise Aβ Histokemisk i AD hjernevæv. Brug af disse forbindelser til Aβ detektion er dyrt og tidskrævende. Men på grund af sin intense fluorescerende aktivitet, høj affinitet, og specificitet for Aβ, samt strukturelle ligheder med traditionelle amyloid binding farvestoffer, curcumin (cur) er en lovende kandidat til mærkning og billeddannelse af Aβ plaques i post mortem hjernevæv. Det er en naturlig polyfenol fra urten Gura Longa. I nærværende undersøgelse blev cur anvendt til Histokemisk mærkning af Aβ-plaques fra både en genetisk musemodel med 5x familiær Alzheimers sygdom (5xFAD) og fra humant annonce væv inden for et minut. Den mærknings evne af cur blev sammenlignet med konventionelle amyloid binding farvestoffer, såsom thioflavin-S (thio-S), Congo rød (CR), og fluoro-Jade C (FJC), samt Aβ-specifikke antistoffer (6E10 og A11). Vi bemærkede, at cur er den mest billige og hurtigste måde at mærke og billede Aβ plaques i forhold til disse konventionelle farvestoffer og er sammenlignelig med Aβ-specifikke antistoffer. Desuden binder cur sig til de fleste Aβ arter, såsom oligomerer og fibrils. Derfor kan cur bruges som det mest omkostningseffektive, enkle og hurtige vha-detekterings middel til Aβ-plaques.
Introduction
Alzheimers sygdom (ad) er en af de mest almindeligt, aldersrelaterede, progressive neurologiske lidelser og en af de førende dødsårsager på verdensplan1,2. Indlæring, hukommelse, og kognition svækkelse, sammen med neuropsykiatriske lidelser, er de almindeligt forekommende symptomer i AD3. Selvom etiologien i ANNONCEN ikke er fuldt belyst, viser de tilgængelige genetiske, biokemiske og eksperimentelle beviser, at gradvis deposition af Aβ er en definitiv biomarkør for AD4. Dette misfoldede protein ophobes i intracellulære og ekstracellulære rum og menes at være involveret i synaptisk tab, øget neuroinflammation, og neurodegeneration i de kortikale og hippocampus regioner i hjernen påvirket af AD5. Derfor er Histokemisk påvisning af Aβ i annonce vævet et afgørende første skridt i udviklingen af ikke-giftige, anti-amyloid medicin for at forhindre annonce progression.
I løbet af de sidste par årtier er flere farvestoffer og antistoffer blevet brugt af mange forskningslaboratorier til at mærke og image Aβ plaques i hjernevæv, men nogle af disse metoder er tidskrævende, og de anvendte farvestoffer eller antistoffer er dyre, hvilket kræver flere tilbehør Kemikalier. Derfor ville udviklingen af et billigt middel til påvisning af Aβ plaques i ANNONCEN hjernen være et velkomment nyt værktøj. Mange laboratorier begyndte at bruge CUR, en lovende anti-amyloid naturlige polyphenol, til mærkning og billeddannelse Aβ, samt et terapeutisk middel til ad6,7,8,9. Dens hydrofobicitet og lypophilic natur, strukturelle ligheder med klassiske amyloid bindende farvestoffer, stærk fluorescerende aktivitet, samt stærk affinitet til at binde med Aβ gør det en ideel fluoroforet for mærkning og billeddannelse af Aβ plaques i ad tissue10 . Cur binder med Aβ-plaques og oligomerer, og dets tilstedeværelse detekteres også i intracellulære rum7,11,12,13. Desuden har det vist sig, at minimale mængder (1 − 10 nM) af cur kan mærke Aβ plaques i 5x familiær Alzheimers sygdom (5xFAD) hjernevæv7. Selv om 1 nM koncentrationen ikke giver den optimale fluorescens intensitet for optælling af Aβ-plaques, en 10 nM eller højere koncentration af cur gør. Ran og kolleger14 rapporterede, at doser så lavt som 0,2 nm af difluoroboron-derivatized cur kan detektere in vivo Aβ aflejringer næsten såvel som en infrarød sonde. Hvorvidt denne dosis er tilstrækkelig til at mærke Aβ plaques i væv er stadig ikke klar. De fleste tidligere undersøgelser har brugt 20 − 30 min til farvning Aβ plaques ved hjælp af CUR, men optimal farvning kan kræve meget mindre tid.
Denne undersøgelse var designet til at teste den mindste tid, der kræves af cur til at mærke Aβ plaques i AD hjernevæv og til at sammenligne følsomheden for mærkning og billeddannelse af Aβ plaques i hjernevæv fra 5xFAD mus efter farvning med cur med andre konventionelle Aβ-bindende farvestoffer, såsom Thioflavin-S (thio-S), Congo Red (CR) og fluoro-Jade C (FJC). Den Aβ mærknings evne af disse klassiske amyloid bindende farvestoffer blev sammenlignet med den nuværende farvning i paraffin-indlejret og kryostat koronalsektion hjernen sektioner fra 5xfad mus og fra alderen matchede menneskelige ad og kontrol hjernevæv. Resultaterne tyder på, at nuværende etiketter Aβ plaques på en måde, der svarer til Aβ-specifikke antistoffer (6E10) og moderat bedre end thio-S, CR eller FJC. Desuden, når intraperitoneale injektioner af cur til 5xFAD mus blev administreret for 2 − 5 dage, det krydsede blod-hjerne barrieren og bundet med Aβ plaques7. Interessant, nanomolær koncentrationer af cur er blevet brugt til at mærke og billede Aβ plaques i 5xfad hjernevæv7,14. Desuden kan morfologisk adskilte Aβ-plaques, såsom kerne-, neuritiske, diffuse og udbrændte plaques mærkes af cur mere effektivt end med nogen af de andre konventionelle amyloid binding farvestoffer7. Samlet set kan cur anvendes til mærkning og billede Aβ plaques i postmortem hjernevæv fra AD dyremodeller og/eller humant AD væv på en nem og billig måde, som et pålideligt alternativ til Aβ-specifikke antistoffer.
Protocol
Representative Results
Discussion
Vores hypotese var, at cur kunne bruges som den hurtigste, nemmeste og billigste måde at mærke og billede Aβ plaques i postmortem AD hjernevæv i forhold til andre klassiske amyloid bindende farvestoffer, samt Aβ-specifikke antistoffer. Formålet med denne undersøgelse var at bestemme den mindste tid, der kræves for at mærke og image Aβ plaques ved CUR i postmortem-hjernevævet og afgøre, om cur kan anvendes som et alternativ til Aβ-antistof til mærkning af Aβ-plaques. Til dette formål, den Aβ-mærkning kap…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Støtten til denne undersøgelse kom fra Field Neuro Sciences Institute ved 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 |
Referências
- 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).
