Multimodal Chemical Imaging to probe Alzheimer’s Disease Pathology

Význam tématu

Amyloidní plaky a tau proteiny patří k hlavním patologickým znakům Alzheimerovy nemoci. Detailní prostorové a molekulární zobrazení těchto struktur je klíčové pro pochopení patogeneze, vývoj diagnostických markerů i cílených léčiv.

Cíle a přehled studie / článku

• Zhodnotit polymorfismus amyloidních plak u pacientů se sporadickou Alzheimerovou nemocí (s‐AD) a u kognitivně zdravých amyloid‐pozitivních jedinců (CU‐AP).
• Integrovat hyperspektrální fluorescenční zobrazování luminescenčními oligothiopheny (LCO) s MALDI Imaging MS a laserovou mikrodissekcí pro mapování lipidů a peptidů přímo v tkáni.

Použitá metodika

• Cryo‐řezání mozků na 12 µm řezy a uložení na podložky pro laserovou mikrodissekci a pro MALDI Imaging.
• Duální fluorescenční barvení sondami q‐FTAA a h‐FTAA pro odlišení kompaktních (core) a difuzních plaket.
• Laserová mikrodissekce vybraných plaket, extrakce formou formiátové acidifikace a imunoprecipitace Aβ.
• Hyperspektrální konfokální mikroskopie a analýza spektrálních rozdílů (pomer 500/540 nm) pro klasifikaci plak podle vazby LCO.

Použitá instrumentace

• Kryostaty a mikrotomy pro přípravu mozkových řezů.
• Konfokální mikroskop s hyperspektrálními detektory pro LCO snímkování.
• Laserový mikrodissekční systém pro přesné vyříznutí plak.
• MALDI TOF hmotnostní spektrometr (time‐of‐flight) pro Imaging MS a profilaci Aβ izoform.

Hlavní výsledky a diskuse

• MALDI Imaging odhalilo akumulaci ceramidů a krátkých gangliosidů v difuzních plakách, zatímco ceramid‐fosfáty byly koncentrovány v jádrech vyzrálých plak.
• Difuzní plaky v s‐AD i v CU‐AP nesly převážně Aβ1‐42 s homogenní distribucí, zatímco jádra cored plaket v s‐AD byla bohatá na Aβ1‐40.
• Pyroglutamátové varianty Aβ3pE‐42 se vyskytovaly převážně v perimetru cored plak u s‐AD a prakticky chyběly u CU‐AP, což poukazuje na jejich roli v patologické maturaci plak.
• Netradiční izoforma Aβ4‐42 byla detekována ve všech plaketách jako významný netranslokační produkt Aβ1‐42 a mohla ovlivňovat vazbu proti Aβ3pE protilátky.

Přínosy a praktické využití metody

• Multimodální přístup kombinuje prostorové zobrazení lipidů a peptidů, což umožňuje komplexní mapování patologie in situ.
• Rozlišení chemické heterogenity plak usnadňuje vývoj nových diagnostických markerů a cílených terapií.
• Metoda je kompatibilní s histologickými a imunofluorescenčními postupy pro následnou validaci.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Rozšíření technologie na vícekanálové zobrazování (IMS3) pro detekci dalších tříd metabolit.
• Vývoj kvantitativních protokolů pro srovnání v rámci velkých souborů pacientských vzorků.
• Aplikace v preklinickém vývoji léčiv a v hodnocení terapeutických zásahů na modelových systémech.

Závěr

Multimodalita LCO hyperspektrálního zobrazování a MALDI Imaging MS přinesla nové pohledy na chemickou a prostorovou heterogenitu amyloidních plak. Identifikace specifických lipidů a Aβ izoform přispívá k lepšímu pochopení patogeneze a otevírá cestu k cílenějším diagnostickým a terapeutickým přístupům.

Reference

• Braak H, Braak E (1991). Neuropathological staging of Alzheimer related changes. Acta Neuropathologica, 82, 239-259.
• Murray ME, Dickson DW (2014). Is pathological aging a successful resistance against amyloid-beta or preclinical Alzheimer's disease? Alzheimer's Research & Therapy, 6, 24.
• Carlred L et al. (2016). Probing Amyloid-β Pathology in transgenic Alzheimer's disease (tgArcSwe) mice using MALDI Imaging Mass Spectrometry. Journal of Neurochemistry, 138, 469-478.
• Kaya I et al. (2017). Delineating Amyloid Plaque Associated Neuronal Sphingolipids in Transgenic Alzheimer's Disease Mice (tgArcSwe) Using MALDI Imaging Mass Spectrometry. ACS Chemical Neuroscience, 8, 347-355.
• Kaya I et al. (2017). Novel Trimodal MALDI Imaging Mass Spectrometry (IMS3) at 10 µm Reveals Spatial Lipid and Peptide Correlates Implicated in Aβ Plaque Pathology in Alzheimer's Disease. ACS Chemical Neuroscience, 8, 2778-2790.
• Kaya I et al. (2017). Histology-Compatible MALDI Mass Spectrometry Based Imaging of Neuronal Lipids for Subsequent Immunofluorescent Staining. Analytical Chemistry, 89, 4685-4694.
• Klingstedt T et al. (2013). Luminescent conjugated oligothiophenes for sensitive fluorescent assignment of protein inclusion bodies. Chembiochem, 14, 607-616.
• Michno W et al. (2018). Multimodal Chemical Imaging of Amyloid Plaque Polymorphism Reveals Aβ Aggregation Dependent Anionic Lipid Accumulations and Metabolism. Analytical Chemistry, 90, 8130-8138.
• Michno W et al. (2019). Pyroglutamation of amyloid-beta x-42 (Aβx-42) followed by Aβ1-40 deposition underlies plaque polymorphism in progressing Alzheimer's disease pathology. The Journal of Biological Chemistry, 294, 6719-6732.