Alzheimerin taudin APP/PS1-21-hiirimallin synapsitiheyden muutosten tutkiminen SV2A-proteiiniin sitoutuvalla [11C]UCB-J-radiomerkkiaineella

Abstract

Alzheimerin tauti on aivoja rappeuttava etenevä muistisairaus, josta kärsii maailmanlaajuisesti yli 55 miljoonaa ihmistä. Alzheimerin taudin patogeneesiin kuuluvat β-amyloidikertymät, tau-proteiinivyyhdit ja synapsien sekä hermosolujen toimintahäiriöt ja tuhoutuminen. Erityisesti synapsien vähenemisen on positroniemissiotomografiatutkimuksissa (PET) havaittu olevan yhteydessä potilaan kognitiivisten kykyjen heikkenemiseen. Sekä kajoamattomissa PET-tutkimuksissa että kuoleman jälkeisistä aivokudosnäytteistä on havaittu synapsitiheyden vähenemistä Alzheimer-potilaan aivoissa. Alzheimerin taudin eläinmallien synapsien PET-kuvantaminen antaa ainutlaatuisen mahdollisuuden selvittää hermostorappeuman etenemistä ja seurata mahdollisten lääkeaihioiden vaikutusta.

Tämän tutkimuksen tarkoituksena oli tutkia synapsitiheyden muutoksia Alzheimerin taudin muuntogeenisellä APP/PS1-21-hiirimallilla taudin varhaisessa ja edenneessä vaiheessa sekä verrata muuntogeenisten hiirten synapsitiheyttä villityypin verrokkeihin. Hiirten synapsitiheyttä kuvannettiin PET-menetelmällä synapsirakkulan glykoproteiini 2A:han (SV2A) sitoutuvalla [11C]UCB-J-radiomerkkiaineella. Radiomerkkiaineen kertymämuutoksia eri aivoalueilla tutkittiin myös autoradiografia-menetelmällä hiirten aivoleikkeistä, joista määritettiin edelleen β-amyloidikertymien ja SV2A:n tiheyttä ja sijaintia immunohistokemiallisin värjäysmenetelmin.

PET-kuvantamistuloksista havaittiin taudin varhaisessa vaiheessa nuorten muuntogeenisten APP/PS1-21 hiirten radioaktiivisuuskertymän olevan eri aivoalueilla lähes merkitsevästi suurempi kuin saman ikäisillä verrokeilla. Edenneessä vaiheessa havaittiin suuntaus suuremmasta radioaktiivisuuskertymästä kontrolliryhmän hiirillä kuin APP/PS1-21-hiirillä. Lisäksi huomattiin suuntaus, että nuorten APP/PS1-21-hiirten aivojen radioaktiivisuuskertymä on suurempi kuin vanhoilla APP/PS1-21-hiirillä. Autoradiografia-menetelmällä merkitseviä tuloksia ei saatu.

Immunohistokemiallisista värjäyksistä havaittiin SV2A:n sijoittuvan erityisesti β-amyloidikertymien ympärille APP/PS1-21-hiirillä. Synapsitiheyden väheneminen aivoissa APP/PS1-21-hiirten vanhetessa tukee ajatusta synapsitiheyden vähenemisestä Alzheimerin taudin edetessä ja antaa viitteitä siitä, että APP/PS1-21-hiirimallia voidaan käyttää synapsitiheyden muutosten tutkimiseen [11C]UCB-J-kuvantamistutkimuksissa. Mielenkiintoinen uusi löydös oli PET-tutkimuksissa havaittu suurempi [11C]UCB-J-radiomerkkiaineen kertymä nuorilla APP/PS1-21-hiirillä kontrolliryhmään verrattuna. Yhdistettynä värjäystutkimuksissa havaittuun SV2A:n kertymiseen β-amyloidikertymien ympärille, havainnot mahdollisesti kertovat vielä tuntemattomasta vuorovaikutussuhteesta β-amyloidikertymien ja synapsien välillä Alzheimerin taudin patogeneesissä. Ennen lopullisten johtopäätösten tekemistä tarvitaan kuitenkin lisää tutkimusta suuremmalla otoskoolla tulosten tilastollisen luotettavuuden takaamiseksi.

Alzheimer’s disease is prevalent memory disorder that affects over 55 million people worldwide. It is characterized by cognitive decline and accumulation of β-amyloid together with other downstream effects. Recent research has highlighted the role of synaptic loss in the disease etiology. Findings from human positron emission tomography (PET) studies have demonstrated that synaptic loss correlates with cognitive decline. Hence, imaging synapses in disease models can provide valuable information about the mechanisms leading to synaptic loss and aid in the development of disease-modifying therapies against Alzheimer’s disease.

This study aimed to measure changes in synaptic density in transgenic APP/PS1-21 mouse model of Alzheimer’s disease at early and late disease stages using PET and ex vivo autoradiography with a synaptic vesicle glycoprotein 2A (SV2A)-targeting radioligand, [11C]UCB-J. Co-localization of β-amyloid and SV2A in mouse brain sections was further examined using immunohistochemistry.

[11C]UCB-J PET demonstrated higher, but not significant, tracer uptake in the different brain regions of APP/PS1-21 mice compared to wild-type mice at early disease stage. Similarly, higher tracer uptake was observed in wild-type mice compared to APP/PS1-21 mice at late disease stage. These findings could not be confirmed with ex vivo autoradiography. Interestingly, amount of SV2A was increased around β-amyloid plaques in APP/PS1-21 mice.

This study provides the first evidence that [11C]UCB-J is a promising radioligand for quantifying synaptic density in APP/PS1-21 mouse model of Alzheimer’s disease. Our findings also revealed an unknown interaction between SV2A and β-amyloid co-localization, which, together with PET imaging data, requires further research to verify the results.