Multimodal Chemical Imaging to probe Alzheimer’s Disease Pathology

Význam tématu

Alzheimerova choroba je stále progresivnější neurodegenerativní onemocnění s narůstající prevalencí ve stárnoucí populaci. Detailní pochopení molekulárních změn v mozkové tkáni je klíčové pro identifikaci biomarkerů, stanovení diagnózy a vývoj cílených terapií. Multimodální chemické zobrazování umožňuje prostorovou lokalizaci lipidů a peptidů spojených s patologickými amyloidními plaky, čímž překonává omezení klasických histochemických metod.

Cíle a přehled studie / článku

Cílem studie bylo využít kombinaci luminescenčních konjugovaných oligothiophenů (LCO) pro hyperspektrální fluorescenční zobrazování, laserovou mikrodissekci a MALDI zobrazovací hmotnostní spektrometrii (IMS) k detailní charakterizaci polymorfismu amyloidních plaků a přiřazení specifických variant Aβ peptidů a lipidových signatur ve vzorcích mozků pacientů se sporadickou AD a kognitivně nepostižených amyloid-pozitivních jedinců (CU-AP).

Použitá metodika a instrumentace

Studie byla realizována na 12 µm tenkých kryosekcích maděných na LMD membránové podložky (pro mikrodissekci) a na ITO potažené sklo (pro MALDI IMS).

• Hyperspektrální fluorescenční mikroskopie s LCO sondami q-FTAA a h-FTAA pro rozlišení kompaktních (cored) a difúzních plaků.
• Spektrální line-scan analýza emisních poměrů na základě LCO absorpčních a emisních posunů.
• Laserová mikrodissekce označených plaků a extrakce Aβ formiovou kyselinou následovaná imunoprecipitací s protilátkami proti Aβ.
• MALDI-TOF hmotnostní spektrometrie pro relativní kvantifikaci Aβ1-42, Aβ1-40, Aβ3pE-42, Aβ4-42 a dalších variant.
• MALDI Imaging MS na sousedních řezech pro prostorovou distribuci lipidů (gangliosidů, ceramidů, sulfatidů) a peptidů.

Hlavní výsledky a diskuse

• Hyperspektrální LCO barvení jasně odlišilo kompaktní jádra plaků (modře značené q-FTAA) od difúzních korón (zeleně značené h-FTAA).
• MALDI IMS lipidového zobrazení ukázalo zvýšené hladiny ceramidů a krátkých gangliosidů ve difúzních depozitech a akumulaci ceramid-fosfátu v jádrech kompaktních plaků.
• Relativní kvantifikace Aβ peptidů odhalila, že difúzní plakety u AD i CU-AP obsahují především Aβ1-42, zatímco kompaktní jádra AD plaků jsou obohacená o Aβ1-40.
• Pyroglutamované Aβ3pE-42 bylo významně přítomné u pacientů s AD, ale jen ve stopových množstvích u CU-AP.
• Objevena nová dominující forma Aβ4-42 jako ne-dementní, všeobecně vyskytující se metabolit, která vykazuje křížovou reaktivitu s protilátkami na Aβ3pE-42.
• Výsledky vyvracejí dosavadní domněnky o ústřední roli Aβ3pE-42 a Aβ1-42 v patogenezi a zdůrazňují význam prostorové distribuce variant Aβ a lipidových framgentů.

Přínosy a praktické využití metody

Multimodální chemické zobrazování poskytuje jedinečnou schopnost mapovat molekulární heterogenitu amyloidních plaků in situ. Metoda nabízí vysokou specifitu a prostorové rozlišení, což je klíčové pro QA/QC neurodegenerativních modelů i lidských vzorků. Technologie umožňuje detailní biomarker discovery, podporuje vývoj nových terapeutik a přispívá k pokročilé diagnostice.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Integrace MALDI IMS s dalšími zobrazovacími modalitami (např. SIMS, NanoDESI) pro zvýšení prostorového rozlišení.
• Využití strojového učení a pokročilých multivariačních algoritmů pro automatizovanou analýzu komplexních dat.
• Validace objevených molekulárních markerů na větších klinických kohortách a longitudinalních studiích.
• Rozvoj multiplexovaných LCO sond pro současné sledování více strukturálních form Aβ a Tau proteinů.
• Propojení s lipidomickými a proteomickými studiemi ke komplexnímu pohledu na neurodegeneraci.

Závěr

Multimodální chemické zobrazování kombinující LCO hyperspektrální mikroskopii, laserovou mikrodissekci a MALDI IMS významně rozšiřuje poznatky o biochemické heterogenitě amyloidních plaků. Studie identifikovala nové Aβ varianty a lipidové signatury, které mění dosavadní chápání patogeneze Alzheimerovy choroby a otevírají cestu k přesnějším diagnostickým a terapeutickým přístupům.

Reference

1. Braak H, Braak E. Neuropathological staging of Alzheimer related changes. Acta Neuropathol. 1991;82:239–259.
2. Murray ME, Dickson DW. Is pathological aging a successful resistance against amyloid-beta or preclinical Alzheimer's disease? Alzheimers Res Ther. 2014;6:24.
3. Carlred L, Michno W, Kaya I, et al. Probing Amyloid-β Pathology in tgArcSwe Mice using MALDI Imaging. J Neurochem. 2016;138:469–478.
4. Kaya I, Brinet D, Michno W, et al. Delineating Amyloid Plaque Associated Neuronal Sphingolipids in tgArcSwe Mice Using MALDI IMS. ACS Chem Neurosci. 2017b;8:347–355.
5. Kaya I, Brinet D, Michno W, et al. Novel Trimodal MALDI Imaging Reveals Spatial Lipid and Peptide Correlates in Abeta Plaque Pathology. ACS Chem Neurosci. 2017a;8:2778–2790.
6. Kaya I, Michno W, Brinet D, et al. Histology-Compatible MALDI Imaging of Neuronal Lipids for Subsequent Immunofluorescence. Anal Chem. 2017c;89:4685–4694.
7. Klingstedt T, Blechschmidt C, Nogalska A, et al. Luminescent conjugated oligothiophenes for sensitive fluorescent assignment of protein inclusion bodies. Chembiochem. 2013;14:607–616.
8. Michno W, Kaya I, Nystrom S, et al. Multimodal Chemical Imaging of Amyloid Plaque Polymorphism Reveals Abeta Aggregation Dependent Anionic Lipid Accumulations. Anal Chem. 2018;90:8130–8138.
9. Michno W, Nystrom S, Wehrli P, et al. Pyroglutamation of Abetax-42 followed by Abeta1-40 deposition underlies plaque polymorphism in progressing AD pathology. J Biol Chem. 2019;294:6719–6732.