Маркировка и изображение амилоидных пластин в мозговой ткани с использованием природного полифенола куркумина
Summary
Куркумин является идеальным фторфором для маркировки и визуализации амилоидных бета-белков ытец в ткани мозга из-за его преференциальной связывания с амилоидным бета-протеином, а также его структурных сходств с другими традиционными амилоидными связывающими красителями. Он может быть использован для обозначения и изображения амилоидных бета-белковых бляшек более эффективно и недорого, чем традиционные методы.
Abstract
Осаждение амилоидного бета-белка (АЗ) во вне- и внутриклеточном пространствах является одной из отличительных патологий болезни Альцгеймера (АД). Таким образом, обнаружение присутствия АЗ в тканях мозга АД является ценным инструментом для разработки новых методов лечения для предотвращения прогрессирования АД. Несколько классических амилоидных связывающих красителей, фторхром, визуальные зонды, и АЗ-специфических антител были использованы для обнаружения АЗ гистохимически в тканях мозга АД. Использование этих соединений для обнаружения АЗ является дорогостоящим и трудоемким. Тем не менее, из-за своей интенсивной флуоресцентной активности, высокой сродство, и специфичность для АЗ, а также структурные сходства с традиционными амилоидных связывающих красителей, куркумин (Cur) является перспективным кандидатом для маркировки и изображения бляшек АЗ в посмертном ткани мозга. Это натуральный полифенол из травы Curcuma longa. В настоящем исследовании, Cur был использован для гистохимически этикетки АЗ бляшки от как генетической мыши модели 5x семейной болезни Альцгеймера (5xFAD) и из человеческой ткани АД в течение минуты. Способность маркировки Cur была сравнена с обычными амилоидных связывающих красителей, таких как тиофлавин-S (Thio-S), Конго красный (CR), и Fluoro-нефрит C (FJC), а также АЗ-специфические антитела (6E10 и A11). Мы заметили, что Cur является самым недорогим и быстрым способом маркировки и изображения бляшек АЗ по сравнению с этими обычными красителей и сравнима с АЗ-специфических антител. Кроме того, Кур связывается с большинством видов АЗ, такими как олигомеры и фибриллы. Таким образом, Cur может быть использован в качестве наиболее экономичный, простой и быстрый флюорохром обнаружения агента для АЗ бляшек.
Introduction
Болезнь Альцгеймера (AD) является одним из наиболее распространенных, возрастных, прогрессирующих неврологических расстройств и одной из ведущих причин смерти во всем мире1,2. Обучение, память, и познания нарушения, наряду с нейропсихиатрическими расстройствами, являются общими симптомами проявляется вaD 3. Хотя этиология АД не была полностью выяснена, имеющиеся генетические, биохимические и экспериментальные данные свидетельствуют о том, что постепенное осаждение АЗ является окончательным биомаркером для АД4. Этот неправильно сложенный белок накапливается во внутриклеточных и внеклеточных пространствах и, как полагают, участвует в синаптической потере, повышенной нейровостригматии и нейродегенерации в корковых и гиппокампальных областях в мозге, пораженномАД 5. Таким образом, гистохимическое обнаружение АЗ в тканях АД является важным первым шагом в разработке нетоксичных, антиамилоидных препаратов для предотвращения прогрессирования АД.
В течение последних нескольких десятилетий, несколько красителей и антител были использованы во многих исследовательских лабораториях для обозначения и изображения АЗ бляшки в тканях мозга, но некоторые из этих методов являются трудоемкими и красители или антитела, используемые являются дорогостоящими, требуя несколько аксессуаров Химических веществ. Таким образом, разработка недорогих средств обнаружения бляшек АЗ в мозге АД было бы новым желанным инструментом. Многие лаборатории начали использовать Cur, перспективный антиамилоидный природный полифенол, для маркировки и визуализации АЗ, а также терапевтический агент дляAD 6,7,8,9. Его гидрофобность и липофильная природа, структурное сходство с классическими амилоидными связывающими красителями, сильная флуоресцентная активность, а также сильное сродство к связыванию с АЗ делает его идеальным флюорофором для маркировки и визуализации бляшек АЗ в ткани АД10 . Кур связывается с АЗ-бляшками и олигомерами, и его присутствие также обнаруживается во внутриклеточных пространствах7,11,12,13. Кроме того, было показано, что минимальное количество (1-10 нм) кур может пометить АЗ в 5x семейной болезни Альцгеймера (5xFAD) ткани мозга7. Несмотря на то, что концентрация 1 нМ не обеспечивает оптимальную интенсивность флуоресценции для подсчета бляшек АЗ, 10 нм или более высокая концентрация Кур делает. Ран и его коллеги14 сообщили, что дозы, как низко как 0,2 нМ дифторорона-дериватизированных Кур может обнаружить в виво АЗ отложений почти так же хорошо, как инфракрасный зонд. Достаточно ли этой дозы для обозначения бляшек АЗ в тканях, до сих пор не ясно. Большинство предыдущих исследований использовали 20-30 минут для окрашивания бляшек АЗ с использованием Cur, но оптимальное окрашивание может потребовать гораздо меньше времени.
Настоящее исследование было разработано, чтобы проверить минимальное время, требуемое Cur для обозначения БЛяшек АЗ в тканях мозга АД и сравнить чувствительность для маркировки и визуализации бляшек АЗ в тканях головного мозга от мышей 5xFAD после окрашивания с Cur с другими обычными Аз-связывающие красители, такие как Тиофлавин-С (Тио-С), Конго красный (CR) и Фтор-нефрит C (FJC). Способность маркировки этих классических амилоидных связывающих красителей была сравнена с куром, встроенными в парафина и криостатными коронарными мозгами от мышей 5xFAD и из выдержанных человеческих АД и контроля мозговой ткани. Полученные результаты свидетельствуют о том, что Cur этикетки АЗ бляшки таким образом, похожие на АЗ-специфических антител (6E10) и умеренно лучше, чем Тио-S, CR, или FJC. Кроме того, когда интраперитонеальные инъекции мышей Cur к 5xFAD вводили в течение 2-5 дней, он пересек гематоэнцефалический барьер и связан с бляшками7. Интересно, что наномолярные концентрации Cur были использованы для обозначения и изображения бляшек АЗ в 5xFAD ткани мозга7,14. Кроме того, морфологически различные БЛяшки АЗ, такие как основные, неуритемые, диффузные и сгоревшие бляшки могут быть помечены Cur более эффективно, чем с любым из других обычных амилоидных связывающих красителей7. В целом, Cur может быть применен к этикетке и изображению бляшек ВК в посмертных тканях мозга из моделей aD животных и/или человеческой ткани АД простым и недорогим способом, как надежная альтернатива специфическим антителам АЗ.
Protocol
Representative Results
Discussion
Наша гипотеза состояла в том, что Cur может быть использован как самый быстрый, простой и наименее дорогой способ маркировки и изображения бляшек АЗ в посмертной ткани мозга АД по сравнению с другими классическими амилоидными связующими красителей, а также антителами АЗ. Целью этого исс?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Поддержка этого исследования была получена из Института полевых неврологий вознесения Святой Марии.
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).
