Merking og Imaging av amyloid plaketter i Brain tissue bruke Natural polyphenol curcumin
Summary
Curcumin er en ideell fluoroforen for merking og bildebehandling av amyloid beta protein plaketter i hjernevevet på grunn av sin fortrinnsrett binding til amyloid beta protein så vel som dens strukturelle likheter med andre tradisjonelle amyloid bindende fargestoffer. Den kan brukes til å merke og bilde amyloid beta protein plaketter mer effektivt og rimelig enn tradisjonelle metoder.
Abstract
Deponering av amyloid beta protein (Aβ) i ekstra-og intracellulære områder er en av de kjennetegn patologi av Alzheimers sykdom (AD). Derfor er påvisning av tilstedeværelsen av Aβ i AD hjernevev et verdifullt verktøy for å utvikle nye behandlinger for å hindre progresjon av AD. Flere klassiske amyloid bindende fargestoffer, fluorokromkonjugert, Imaging sonder og Aβ-spesifikke antistoffer har blitt brukt til å oppdage Aβ histochemically i AD hjernevev. Bruk av disse forbindelsene for Aβ deteksjon er kostbart og tidkrevende. Men på grunn av sin intense fluorescerende aktivitet, høy affinitet, og spesifisitet for Aβ, samt strukturelle likheter med tradisjonelle amyloid bindende fargestoffer, curcumin (cur) er en lovende kandidat for merking og bildebehandling av Aβ plaketter i postmortem hjernevevet. Det er en naturlig polyphenol fra urten curcuma Longa. I denne studien, ble cur brukt til å histochemically etiketten Aβ plaketter fra både en genetisk mus modell av 5x familiær Alzheimers sykdom (5xFAD) og fra menneskelige AD vev i løpet av et minutt. Merkingen evne til cur ble sammenlignet med konvensjonelle amyloid bindende fargestoffer, slik som thioflavin-S (Alkyltiokarbamid-S), Kongo rød (CR), og fluoro-Jade C (FJC), samt Aβ-spesifikke antistoffer (6E10 og A11). Vi observerte at cur er den rimeligste og raskeste måten å merke og bilde Aβ plaketter i forhold til disse konvensjonelle fargestoffer og kan sammenlignes med Aβ-spesifikke antistoffer. I tillegg binder cur seg til de fleste Aβ arter, som oligomers og fibrils. Derfor kan cur brukes som den mest kostnadseffektive, enkle og raske fluorokromkonjugert Detection agent for Aβ plaketter.
Introduction
Alzheimers sykdom (AD) er en av de vanligste, alder-relaterte, progressive nevrologiske lidelser og en av de viktigste årsakene til dødsfall over hele verden1,2. Læring, hukommelse, og kognisjon svekkelse, sammen med nevropsykiatriske lidelser, er de vanligste symptomene manifestert i AD3. Selv om etiologi av AD ikke har blitt fullstendig belyst, kan de tilgjengelige genetiske, biokjemiske og eksperimentelle bevisene indikere at gradvis deponering av Aβ er en definitiv biomarkør for AD4. Denne misfolded protein akkumuleres i intracellulære og ekstracellulære områder og antas å være involvert i Synaptic tap, økt nevroinflammasjon, og neurodegeneration i kortikale og hippocampus områder i hjernen berørt av AD5. Derfor er histochemical deteksjon av Aβ i AD vev et avgjørende første skritt i å utvikle ikke-giftig, anti-amyloid medikamenter for å hindre AD progresjon.
I løpet av de siste ti årene, flere fargestoffer og antistoffer har blitt brukt av mange forskningslaboratorier for å merke og bilde Aβ plaketter i hjernevevet, men noen av disse metodene er tidkrevende og fargestoffer eller antistoffer som brukes er dyre, krever flere tilbehør Kjemikalier. Derfor vil utviklingen av et billig middel for påvisning av Aβ plaketter i AD hjernen være en velkommen nytt verktøy. Mange laboratorier begynte å bruke CUR, en lovende anti-amyloid naturlig polyphenol, for merking og bildebehandling Aβ, samt en terapeutisk agent for ad6,7,8,9. Dens hydrofobisiteten og lypophilic natur, strukturelle likheter med klassisk amyloid bindende fargestoffer, sterk fluorescerende aktivitet, samt sterk affinitet til å binde med Aβ gjør det til et ideelt fluoroforen for merking og bildebehandling av Aβ plaketter i AD tissue10 . Cur binder med Aβ-plaketter og oligomers og dens tilstedeværelse er også oppdaget i intracellulære mellomrom7,11,12,13. I tillegg har det vist seg at minimale beløp (1 − 10 nM) av cur kan merke Aβ plaketter i 5x familiær Alzheimers sykdom (5xFAD) hjernevev7. Selv om 1 nM konsentrasjonen ikke gir den optimale fluorescens intensitet for telling av Aβ plaketter, en 10 nM eller høyere konsentrasjon av cur gjør. Ran og kolleger14 rapporterte at doser så lavt som 0,2 nM av difluoroboron-derivatized cur kan oppdage in vivo Aβ innskudd nesten så vel som en infrarød sonde. Hvorvidt denne dosen er tilstrekkelig til å merke Aβ plaketter i vev er fortsatt ikke klart. De fleste tidligere studier har brukt 20 − 30 min for farging av Aβ plaketter med CUR, men optimale flekker kan kreve mye kortere tid.
Den nåværende studien ble utviklet for å teste den minste tiden som kreves av cur å merke Aβ plaketter i AD hjernevev og å sammenligne følsomheten for merking og bildebehandling av Aβ plaketter i hjernevev fra 5xFAD mus etter farging med cur med andre konvensjonelle Aβ-bindende fargestoffer, slik som Thioflavin-S (Alkyltiokarbamid-S), Kongo rød (CR), og fluoro-Jade C (FJC). Den Aβ merking evne til disse klassiske amyloid bindende fargestoffer ble sammenlignet med cur farging i parafin-embedded og kryostaten koronale hjernen seksjoner fra 5xFAD mus og fra alderen matchet menneskelig AD og kontroll hjernen vev. Funnene tyder på at cur etiketter Aβ plaketter på en måte som ligner på Aβ-spesifikke antistoffer (6E10) og moderat bedre enn Alkyltiokarbamid-S, CR, eller FJC. I tillegg, når intraperitoneal injeksjoner av cur til 5xFAD mus ble administrert for 2 − 5 dager, krysset den blod-hjerne-barrieren og bundet med Aβ plaketter7. Interessant, nanomolar konsentrasjoner av cur har blitt brukt til å merke og bilde Aβ plaketter i 5xFAD hjernevev7,14. Videre kan morfologisk distinkte Aβ plaketter, slik som kjerne, nevrittiske, diffuse, og utbrent plakk merkes av cur mer effektivt enn med noen av de andre konvensjonelle amyloid bindende fargestoffer7. Samlet sett kan cur brukes til å merke og bilde Aβ plaketter i postmortem hjernevev fra AD dyremodeller og/eller menneskelig AD vev på en enkel og rimelig måte, som et pålitelig alternativ til Aβ-spesifikke antistoffer.
Protocol
Representative Results
Discussion
Vår hypotese var at cur kunne brukes som den raskeste, enkleste og minst kostbare måten å merke og bilde Aβ plaketter i postmortem AD hjernevevet sammenlignet med andre klassiske amyloid bindende fargestoffer, samt Aβ-spesifikke antistoffer. Målet med denne studien var å bestemme den minste tiden som kreves for å merke og bilde Aβ plaketter av cur i postmortem AD hjernevev og avgjøre om cur kan brukes som et alternativ til Aβ antistoff for merking Aβ plaketter. For dette formål ble den Aβ-merking evne til c…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Støtte for denne studien kom fra Field Neurosciences Institute på 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).
