Luminescent conjugated oligothiophenes as diagnostic tools and potential pharmacophores in Alzheimer´s disease

Abstract

Luminescent conjugated oligothiophenes (LCOs) are novel molecular amyloid binding agents, which identify their targets with high sensitivity and specificity, and additionally provide structural information about bound amyloid lesions due to changing emission spectra. The pentameric LCO pFTAA readily crosses the blood brain barrier (BBB) after intravenous injection and efficiently labels cerebral Aβ plaques in Alzheimer´s disease (AD) transgenic APPPS1 mice. Within the present thesis, LCOs were investigated as in vivo tracers for detecting cerebral Aβ deposits and as potential pharmacophores in APPPS1 mice, a model of early and robust cerebral amyloidosis. To test LCOs for neuroimaging of cerebral Aβ deposits using magnetic resonance imaging (MRI), they were attached by distinct spacer components to magnetic nanoparticles (MNPs), resulting in coupled probes termed LCO-MNPs. LCO-MNPs were peripherally applied to APPPS1 mice and BBB passing as well as labeling of cerebral Aβ plaques was investigated using optical imaging and MRI. Results revealed a specific optical signal of LCO labeled cerebral Aβ plaques after peripheral administration of LCO-MNPs, however no significant MRI and transmission electron microscopic signals were detected so far. Since different amyloid dyes showed anti-amyloid effects by preventing Aβ fibrillogenesis or by inhibition of Aβ toxicity, pFTAA was further investigated as potential pharmacophores in AD. After crossing the BBB of APPPS1 mice following peripheral application, pFTAA binds deposited fibrillar Aβ plaques but possibly also pre-fibrillar toxic oligomers, which were described to primarily cause impairments in memory and cognition. To analyze the effect of cerebral bound pFTAA on AD pathology, APPPS1 mice were treated with pFTAA, and cerebral Aβ plaque load and hippocampal synaptic transmission were determined. Although no functional impact on synaptic transmission was observed after peripheral pFTAA treatment, an influence on Aβ plaque pathology in APPPS1 mice was detected. The overall cerebral Aβ plaque burden was not changed, however pFTAA treated APPPS1 mice revealed more numerous and smaller plaques when compared to PBS treated controls, which could in addition be structurally distinguished from Aβ plaques of control animals. Thus in vivo pFTAA binding to cerebral amyloid deposits in APPPS1 mice slows Aβ plaque growth and maturation. The significant increase of cortical Aβ plaque number might be explained by elevated amyloid seeding through pFTAA binding to cerebral Aβ. The results of the present thesis show, that pFTAA or LCOs have the potential to be further investigated for human AD diagnostic, since they caused no obvious toxic side effects in long term treated APPPS1 mice and did not substantially alter cerebral plaque burden.

LCOs sind neuartige, konformations-sensitive optische Amyloid-Marker, die je nach Struktur der gebundenen, pathologischen Amyloid-Ablagerungen Fluoreszenzlicht unterschiedlicher Wellenlänge emittieren. Nach einer intravenösen Injektion in dem transgenen Alzheimer Mausmodell APPPS1 sind bestimmte LCOs, beispielsweise pFTAA, in der Lage die Blut-Hirn-Schranke (BHS) zu passieren und zerebrale β-Amyloid-Plaques sowohl langfristig als auch spezifisch zu markieren. Im Rahmen dieses Promotionsprojektes wurden LCOs zum einen auf ihre Verwendbarkeit als neuartige diagnostische Marker zur Detektion von zerebralen β-Amyloid und zum anderen als potentielle therapeutische Substanzen im transgenen Alzheimer Mausmodell APPPS1 untersucht. Innerhalb des diagnostischen Versuchsansatzes wurde analysiert, ob an magnetische Nanopartikel gekoppelte LCO-Derivate (LCO-MNPs) für den Einsatz als Kontrastmittel nach einer intravenösen Injektion ebenfalls in der Lage sind, die BHS zu passieren und an zerebrale β-Amyloid-Ablagerungen in APPPS1 Tieren zu binden. Nach intravenöser Applikation der LCO-MNPs wurden mittels Fluoreszenz-Mikroskopie in APPPS1 Tieren LCO-markierte β-Amyloid-Plaques detektiert. Magnetische Nanopartikel konnten bisher mittels der Magnetresonanztomographie und Elektronenmikroskopie allerdings nicht im Hirn der behandelten Tiere nachgewiesen werden. Verschiedene Amyloid-spezifische Marker wie beispieslwesie Kongo Rot oder Methoxy-XO4 wiesen zuvor anti- amyloidogene Eigenschaften in vitro und in transgenen Alzheimer Tier-Modellen in vivo auf. Auch LCPs (luminescent conjugated polythiophenes) als Vorläufer von LCOs reduzieren die Ausbreitung von Prion-Proteinen in vitro und wiesen somit einen Amyloid-hemmenden Effekt auf. Innerhalb des vorliegenden Promotionsprojektes wurde weiterhin untersucht, ob die langfristige in vivo Bindung von pFTAA an zerebrale β-Amyloid-Plaques in APPPS1 Tieren einen Einfluss auf die Plaque-Pathologie in kortikalen Hirnregionen hat und LCOs somit möglicherweise als neue therapeutische Substanzen eingesetzt werden können. Nach einer in vivo Behandlung von transgenen APPPS1 Tieren, wurden keine toxischen Nebenwirkungen beobachtet und Analysen der Gesamt-Plaque- Belastung im Hirn der behandelten Tiere zeigten im Vergleich zu Kontrolltieren keine signifikanten Unterschiede. Allerdings wiesen pFTAA-behandelte APPPS1 Tiere signifikant mehr kleinere β-Amyloid Plaques und geringere durchschnittliche Flächen pro Plaque auf. Zusätzlich wurden signifikante morphologische Unterschiede zwischen pFTAA gebundenen und unbehandelten zerebralen β-Amyloid Plaques aufgezeigt, die auf eine langsamere β-Amyloid Plaque-Reifung hinweisen. Die erhöhte Anzahl an kortikalen Plaqes könnte auch auf eine mögliche, verstärkte Nukleation der Amyloidablagerungen auf Grund der pFTAA Bindung hinweisen. Zusammenfassend könnten diese beiden Ergebnisse die unveränderte Gesamt-Plaque-Belastung im Hirn pFTAA behandelter Tiere erklären. Da pFTAA auch pre-fibrilläre, toxisch wirkende Aβ-Oligomere bindet, wurde ausserdem der Effekt einer pFTAA Behandlung auf die synaptische Transmission in APPPS1 Tieren untersucht. Es wurde jedoch kein signifikanter Einfluss der pFTAA Behandlung in APPPS1 Tieren auf die synaptische Transmission im Hippokampus nachgewiesen. Zusammenfassend demonstrieren die Ergebnisse keinen substantiellen therapeutischen Effekt während einer Langzeit-Behandlung von transgenen Alzheimer Tieren mit pFTAA. Allerdings unterstützen die generierten Daten die Anwendung von pFTAA beziehungsweise LCOs in der humanen in vitro Diagnostik und potentiell auch in der in vivo Diagnostik.