Alzheimer’s disease (AD) is a severe age-related neurodegenerative disorder and is the most common form of dementia. Although the pathogenesis of AD remains unknown, the deterioration of the cerebrovascular system constitutes a risk factor associated with the development of the disease. Notably, brain hypoperfusion, a feature of healthy ageing brain and AD, occurs prior to the onset of cognitive decline in AD and correlates with the severity of dementia. Although there is a clear link between hypoperfusion and cognitive alterations in AD, a causal relationship remains to be established. It was hypothesised that chronic cerebral hypoperfusion leads to the accumulation of parenchymal and vascular amyloid-β (Aβ), triggering the development of vascular lesion (microinfarcts (MIs) and haemorrhages) and altering the neurovascular unit (NVU) integrity. Second to this, it was hypothesised that reductions in Aβ levels by immunotherapy targeted to amyloid in young mice, reduce amyloid levels, and prevent vascular lesions improving cognitive performance. Three studies were conducted to test these hypotheses. In the first study, the aim was to characterise age-dependent changes in amyloidrelated pathology in a transgenic mouse model (Tg-SwDI). The temporal amyloid precursor protein (APP) expression, accumulation of parenchymal and cerebrovascular Aβ and Aβ-related microglial and astrocytic activation in the cortex, hippocampus and thalamus of the Tg-SwDI mice at 3, 6 and 9 months of age was compared to wild-type controls. Significantly higher APP expression (p < 0.05), as well as Aβ aggregation (p < 0.001) as the animals aged was found in the Tg-SwDI mice in all the brain regions analysed, which was accompanied by extensive and progressive activation of microglial (p < 0.001) and astrocytic (p < 0.01) cells. These data provided a basis to design the next studies, as it was planned to induce hypoperfusion in these mice before significant Aβ deposition occurs. In the second study, the aim was to investigate the effect of hypoperfusion on Aβ dynamics and subsequently, to study the contribution of hypoperfusion and Aβ pathology to the development of MIs and haemorrhages, and to the potential alteration of astrocyte and tight junction (TJ) integrity. To address this, mild chronic cerebral hypoperfusion was induced in Tg-SwDI and wild-type mice by bilateral common carotid stenosis for 1 and 3 months. A significant increase in soluble Aβ40/42 levels was initially found after 1 month of hypoperfusion in the parenchyma (Aβ40, p = 0.0239; Aβ42 p = 0.0198) in parallel with elevated APP levels and APP proteolytic cleavage products (p < 0.05). Thereafter, following 3 months, a significant increase in insoluble Aβ40/42 levels was determined in the parenchyma (Aβ40, p = 0.0024; Aβ42 p = 0.008) and vasculature (Aβ40, p = 0.0046; Aβ42 p = 0.0118) of Tg-SwDI mice. There was no change in the levels of Aβ co-localised to vessels following 1 month of hypoperfusion; however Aβ levels were significantly increased in cerebral vessels after 3 months (p = 0.0483). The proportion of Aβ containing vessels was significantly higher in the small vessels of the hypoperfused animals compared to sham mice (p < 0.05). MIs associated with microglial proliferation were present in the Tg-SwDI mice and the burden was exacerbated by hypoperfusion at 1 and 3 months (p < 0.05). Significantly higher levels of NADPH Oxidase-2 (NOX2) were found in the transgenic mice compared to the wild-type controls at both time-points analysed (p < 0.05), and this was exacerbated after 1 month of hypoperfusion in the Tg-SwDI mice (p < 0.05). There was a positive correlation between NOX2 and soluble parenchymal Aβ levels (r = 0.6643, p = 0.0019). A minimal effect on the development of haemorrhages at these time-points was observed. In parallel to this, astrocyte activation was significantly higher in the Tg-SwDI mice compared to the wild-type controls at both time-points studied (p < 0.05); however, no effect of hypoperfusion was observed. Also, significantly higher levels of aquaporin-4 (AQP4) in the Tg-SwDI mice compared to the wild-type controls following 1 month of hypoperfusion were found (p < 0.001). There was a positive correlation between AQP4 and soluble parenchymal Aβ levels (r = 0.4735, p = 0.0095). Claudin-5 levels were significantly higher in the Tg-SwDI mice compared to the wild-type controls at both time-points analysed (p < 0.0001), and this was exacerbated following 1 month of hypoperfusion in the transgenic model (p < 0.05). A positive correlation between claudin-5 and vascular Aβ levels was observed (r = 0.6113, p = 0.0004). Together, these data suggest a synergistic contribution of amyloid and hypoperfusion pathologies to the tissue damage and implicate a role of oxidative stress and inflammation. In the third study, the aim was to determine the effects of passive amyloid immunisation on Aβ levels, development of MIs and haemorrhages and behavioural performance in the Tg-SwDI mice. To address this, the mice underwent weekly intraperitoneal injections with either 3D6 or 10D5 antibodies during 3 months. Although there were no significant changes between control and 10D5/3D6 treated mice in amyloid levels, appearance of MIs and cognitive performance, it was noted that there was a trend towards a reduction in amyloid levels and MI area in the 10D5/3D6 treated mice compared to the control animals. Furthermore, there was no evidence of microhaemorrhages in response to the immunisation. These results demonstrate that Aβ immunotherapy with the antibodies 3D6 and 10D5 may potentially decrease parenchymal and vascular amyloid accumulation, reducing the appearance of MIs and notably without triggering the development of microhaemorrhages. Collectively, the findings presented in the current thesis demonstrate that chronic cerebral hypoperfusion increases parenchymal and vascular Aβ levels and point towards a mechanism in which the cascade of events including inflammation and oxidative stress, triggered synergistically by hypoperfusion and Aβ, resulted in the widespread development of MIs and NVU changes which may further induce the alteration of cognition networks. A mixed therapy, aimed at improving cerebrovascular health and targeting the accumulation of Aβ, represents a promising strategy to prevent neurodegenerative processes and further cognitive decline in AD.

Die biologischen Grundlagen und sozioökonomischen Auswirkungen der Alzheimerschen Erkrankung (Alzheimer‘s Disease; AD) sind ein aktuelles Thema unserer immer älter werdenden Gesellschaft. Doch bis heute sind nicht alle pathophysiologischen Vorgänge erforscht, um diese Erkrankung in ihrer Ursache zu verstehen und damit Ansätze für eine adäquate Therapie zu ermöglichen. Eine weit verbreitete Theorie zur Krankheitsentstehung ist die Amyloid-Kaskaden-Hypothese, die ß-Amyloid (Aß)-Peptiden eine zentrale Rolle bei der Alzheimer-Pathogenese zuspricht. Diese Aß-Peptide entstehen durch proteolytische Prozessierung des Amyloidvorläuferproteins (amyloid precursor protein; APP) und sind auch im Gehirn von nicht-dementen älteren Menschen nachweisbar. Neue Forschungsergebnisse legen nahe, dass bestimmte posttranslationale Modifikationen des Aß-Peptids zu verringertem Abbau, erhöhter Aggregation und gesteigerter Neurotoxizität beitragen. Eine solche besonders pathogene Aß-Variante ist Pyroglutamat-Aß (pE-Aß). Es entsteht durch N-terminale Verkürzung von Aß um zwei Aminosäuren und folgende Zyklisierung des N-terminalen Glutamats zu Pyroglutamat (pE). Eine Möglichkeit die Bildung, den Transport und die Ablagerung von pE-Aß im Gehirn verstorbener Alzheimer-Patienten und im Gehirn von Versuchstieren mit Amyloid-Pathologie zu untersuchen, ist die Verwendung spezifischer Antikörper. Ziel dieser Arbeit war es, vier neue monoklonale Antikörper hinsichtlich ihrer Eignung zur immunhistochemischen Darstellung von pE-Aβ im Gehirn transgener Mäuse mit Aß-Pathologie zu untersuchen. Für diese Untersuchungen wurden transgene Mäuse des Stammes Tg2576 verwendet. Diese exprimieren humanes APP der neuronalen Isoform mit 695 Aminosäuren mit der sogenannten schwedischen Doppelmutation KM670/671NL. Diese Mutation sorgt dafür, dass APP ein besseres Substrat für die amyloidogene Prozessierung ist und verstärkt Aß gebildet wird. Tg2576-Mäuse entwickeln ab einem Alter von 11 bis 13 Monaten Alzheimer-typische Amyloidablagerungen im Neokortex und im Hippocampus. In der vorgelegten Arbeit wurden Mäuse im Alter von 16, 18 und 21 Monaten untersucht, um zu prüfen ob mit den neuen pE-Aß-Antikörpern die in anderen Arbeiten beschriebene Zunahme der Aß-Pathologie im Alterungsprozess dargestellt werden kann. Als Kontrollen wurden gleichaltrige Wurfgeschwister, die das Transgen nicht exprimieren, verwendet. Pro Altersstufe wurden zwei transgene Mäuse und ein Wildtyp-Tier untersucht. Die vier neuen zu charakterisierenden monoklonalen pE-Aß-Antikörper wurden von der Firma Probiodrug AG, Halle/Saale zur Verfügung gestellt. Sie wurden durch Immunisierung von C57Bl6-Mäusen mit einem Hexapeptid aus dem N-Terminus von pE-Aß (Sequenz pEFRHDS) generiert. Diese vier monoklonalen Antikörper besaßen verschiedene IgG-Subtypen: Klon K6 (IgG1), Klon K17 (IgG2b), Klon K24 (IgG1), Klon F8 (IgG3). Vergleichend wurde ein pE-Aß-Antikörper der Firma Synaptic Systems (Klon 2-48) vom Subtyp IgG1 verwendet. Auswahl der untersuchten Gehirne – „Gefäßhintergrund“. Durch ungleichmäßige Perfusion und Fixierung der Gehirne kann es zu einer unerwünschten Färbung von Blutgefäßen kommen, wodurch die Quantifizierung von Plaques erschwert wird. Um dies zu vermeiden wurden die Gehirne von 13 Mäusen hinsichtlich dieses Kriteriums mittels Immunhistochemie mit dem pE-Aß-Antikörper von Synaptic Systems untersucht und anschließend ausschließlich Tiere ohne oder mit sehr geringem Gefäßhintergrund verwendet. Eignung der neuen monoklonalen primären pE-Aß-Antikörper. Es wurde eine Versuchsreihe angefertigt, um die immunhistochemischen Färbungen der vier neuen monoklonalen pE-Aß-Antikörper an Mäusegewebe zu testen und diese mit dem etablierten Synaptic Systems Antikörper zu vergleichen. Die Testreihe zeigte erwartungsgemäß, dass der Synaptic Systems pE-Aß-Antikörper, aber auch die neuen Antikörper K6, K17 und F8 eine gute, jedoch auch unterschiedlich intensive Plaquefärbung erbrachten. Der Antikörper K24 wurde aus den weiteren Versuchsreihen ausgeschlossen, da keine Plaquefärbung nachweisbar war. Verdünnungsreihen der primären pE-Aß-Antikörper. Die verwendete Konzentration eines Antikörpers kann die Intensität der spezifischen Färbung, aber auch die Hintergrundfärbung stark beeinflussen. Deshalb galt es festzulegen, in welchen Verdünnungen die neuen primären pE-Aß-Antikörper zur Quantifizierung der Plaquefläche im Gehirn transgener Tg2576-Mäuse eingesetzt werden sollten. Für jeden einzelnen Antikörper wurde eine Verdünnungsreihe (1:100; 1:250; 1:500) angefertigt und die Verdünnung bestimmt, welche die beste immunhistochemische Visualisierung der Aß-Ablagerungen ermöglicht. Dies war für den Klon K6 1:100, für Klon K17 1:250 und für Klon F8 1:250. Verwendung geeigneter Sekundär-Antikörper. Kommerziell verfügbare Sekundär-Antikörper gegen Maus-IgGs erkennen entweder alle IgG-Subytpen, oder sind gegen einzelne IgG-Subtypen gerichtet. Um geeignete Sekundär-Antikörper zum Nachweis der pE-Aß-Antikörper für die Plaque-Darstellung zu identifizieren, wurden verschiedene Verdünnungen (1:200 und 1:400) von nicht-Subtyp-spezifischen und von Subtyp-spezifischen biotinylierten Esel-anti-Maus IgGs getestet. Dabei zeigte sich, dass in jedem Fall die biotinylierten subtypspezifischen sekundären Esel anti-Maus Antikörper in einer Verdünnung von 1:200 die geringste Hintergrundfärbung und das deutlichste Signal erbrachten. Deshalb wurden nur diese für die folgenden Versuchsreihen eingesetzt. Quantifizierung der Plaque-Beladung im Gehirn transgener Tg2576-Mäuse. Um die Plaque-Beladung in definierten Hirnstrukturen APP-transgener Tg2576-Mäuse zu quantifizieren, wurden für jeden der vier untersuchten pE-Aß-Antikörper (Synaptic Systems, K6, K17 und F8) in drei Altersstufen (16, 18 und 21 Monate) in neun verschiedenen koronalen Schnittebenen immunhistologische Färbungen durchgeführt. Die Schnittebenen befanden sich auf Ebenen, die folgende Strukturen enthalten: 1 Präfrontaler Kortex, 2 Basales Vorderhirn, 3 anteriore Kommissur, 4 Nucleus basalis, 5 Hippocampus anterior, 6 Hippocampus posterior, 7 Locus coeruleus anterior, 8 Locus coeruleus posterior, 9 kaudaler Hirnstamm. Dies ermöglichte es, in verschiedenen Hirnregionen die Ablagerung von pE-Aβ während des Alterungsprozesses zu untersuchen. Es wurden für jede Hirnregion die aufeinanderfolgenden Schnitte für die vier primären Antikörper ausgewählt, sodass ein Maximalabstand von 120 µm zwischen den Färbungen der pE-Aß-Antikörper besteht, da jeder Schnitt eine Dicke von 30 µm aufwies. Da je Altersstufe zwei Tiere analysiert wurden, ergeben sich pro Antikörper und Altersstufe 18 gefärbte und quantifizierte Schnitte, demzufolge resultiert pro untersuchtem Antikörper eine Gesamtzahl von 54 Schnitten. Die Gesamtzahl der ausgewerteten Schnitte dieser Arbeit beträgt 224. Die Quantifizierung erfolgte mit Hilfe des Computerprogramms BZ-II-Analyzer, einer Analysesoftware des Digitalmikroskops Keyence. Durch eine Aufnahme des kompletten Hirnschnitts und Markierung der Plaquefläche konnte deren prozentualer Anteil an der Hirnschnittfläche bestimmt werden. Betrachtet man die vier Antikörper untereinander, wird erkennbar, dass der pE-Aß-Antikörper von Synaptic Systems in jeder Altersstufe die größte Plaquefläche darstellt. Die pE-Aß-Antikörper K17 und F8 zeigen eine geringere und untereinander ähnliche Plaquefläche. Der K6 Antikörper weist die geringste Plaquefläche nach. Im Altersgang ist für alle untersuchten pE-Aß-Antikörper eine Zunahme der markierten Plaquefläche nachweisbar. Die untersuchten Gehirnschnittebenen sind unterschiedlich stark von pE-Aß-Ablagerungen betroffen. Die am weitesten rostral gelegene Schnittebene mit präfrontalem Kortex weist besonders viele pE-Aß-Ablagerungen auf, während die darauf folgende Schnittebene deutlich weniger pE-Aß-Ablagerungen zeigt. Danach gibt es Richtung kaudal wieder eine Zunahme der pE-Aß-Ablagerungen. In den Schnittebenen 7, 8 und 9 wurden keine pE-Aß-Ablagerungen nachgewiesen. Doppelmarkierungen von pE-Aß-Antikörpern verschiedener IgG-Subtypen und mit dem pan-Aß-Antikörper 4G8. Um nachzuweisen, ob alle untersuchten pE-Aß-Antikörper dieselben Strukturen darstellen, wurde eine Versuchsreihe mit Immunfluoreszenz-Doppelmarkierungen angefertigt. Obwohl die primären monoklonalen pE-Aß-Antikörper alle in der Maus generiert wurden, erlaubten die verschiedenen IgG-Subtypen eine Doppelmarkierung mit Subtypen-spezifischen Sekundärantikörpern. Dabei zeigte sich, dass alle pE-Aß-Antikörper dieselben Anteile von Aβ-Ablagerungen erkennen. Um nachfolgend zu zeigen, welche Anteile der Aβ-Ablagerungen von den pE-Aβ-Antikörpern erkannt werden, wurden Doppelmarkierungen der verschiedenen pE-Aß-Antikörper mit dem pan-Aß-Antikörper 4G8 angefertigt. Dabei konnte gezeigt werden, dass sich die pE-Aβ-Peptide im Zentrum der Aβ-Ablagerungen befinden. In dieser Arbeit konnten vier neue monoklonale Antikörper bezüglich ihrer Eignung zur immunhistochemischen Darstellung von pE-Aβ im Hirn transgener Mäuse mit Aß-Pathologie charakterisiert werden. Während der Klon K24 für die Plaquedarstellung ungeeignet ist, wurden für die Klone K17 und F8 vergleichbare, wenn auch geringere Plaqueflächen nachgewiesen als für den kommerziell verfügbaren Antikörper von Synaptic Systems. Der pE-Aß-Antikörper K6 markierte die geringste Plaquefläche. Dies könnte auf eine höhere Spezifität oder auf eine geringere Sensitivität von K17, F8 und K6 gegenüber dem Synaptic Systems Antikörper zurückzuführen sein. Mit Hilfe monoklonaler Antikörper gegen pE-Aß könnte es möglich sein, einen Impfstoff zu entwickeln, der gegen eine besonders toxische Aβ-Peptid-Variante gerichtet ist. Eine Immunisierung im Frühstadium der AD würde zwar nicht die Erkrankung in ihrem Ursprung heilen, könnte aber deren Verlauf verlangsamen. Zudem ist es denkbar, spezifische Antikörper gegen besonders neurotoxische pE-Aß-Varianten für die klinische Diagnosestellung zu etablieren.

Die biologischen Grundlagen und sozioökonomischen Auswirkungen der Alzheimerschen Erkrankung (Alzheimer‘s Disease; AD) sind ein aktuelles Thema unserer immer älter werdenden Gesellschaft. Doch bis heute sind nicht alle pathophysiologischen Vorgänge erforscht, um diese Erkrankung in ihrer Ursache zu verstehen und damit Ansätze für eine adäquate Therapie zu ermöglichen. Eine weit verbreitete Theorie zur Krankheitsentstehung ist die Amyloid-Kaskaden-Hypothese, die ß-Amyloid (Aß)-Peptiden eine zentrale Rolle bei der Alzheimer-Pathogenese zuspricht. Diese Aß-Peptide entstehen durch proteolytische Prozessierung des Amyloidvorläuferproteins (amyloid precursor protein; APP) und sind auch im Gehirn von nicht-dementen älteren Menschen nachweisbar. Neue Forschungsergebnisse legen nahe, dass bestimmte posttranslationale Modifikationen des Aß-Peptids zu verringertem Abbau, erhöhter Aggregation und gesteigerter Neurotoxizität beitragen. Eine solche besonders pathogene Aß-Variante ist Pyroglutamat-Aß (pE-Aß). Es entsteht durch N-terminale Verkürzung von Aß um zwei Aminosäuren und folgende Zyklisierung des N-terminalen Glutamats zu Pyroglutamat (pE). Eine Möglichkeit die Bildung, den Transport und die Ablagerung von pE-Aß im Gehirn verstorbener Alzheimer-Patienten und im Gehirn von Versuchstieren mit Amyloid-Pathologie zu untersuchen, ist die Verwendung spezifischer Antikörper. Ziel dieser Arbeit war es, vier neue monoklonale Antikörper hinsichtlich ihrer Eignung zur immunhistochemischen Darstellung von pE-Aβ im Gehirn transgener Mäuse mit Aß-Pathologie zu untersuchen. Für diese Untersuchungen wurden transgene Mäuse des Stammes Tg2576 verwendet. Diese exprimieren humanes APP der neuronalen Isoform mit 695 Aminosäuren mit der sogenannten schwedischen Doppelmutation KM670/671NL. Diese Mutation sorgt dafür, dass APP ein besseres Substrat für die amyloidogene Prozessierung ist und verstärkt Aß gebildet wird. Tg2576-Mäuse entwickeln ab einem Alter von 11 bis 13 Monaten Alzheimer-typische Amyloidablagerungen im Neokortex und im Hippocampus. In der vorgelegten Arbeit wurden Mäuse im Alter von 16, 18 und 21 Monaten untersucht, um zu prüfen ob mit den neuen pE-Aß-Antikörpern die in anderen Arbeiten beschriebene Zunahme der Aß-Pathologie im Alterungsprozess dargestellt werden kann. Als Kontrollen wurden gleichaltrige Wurfgeschwister, die das Transgen nicht exprimieren, verwendet. Pro Altersstufe wurden zwei transgene Mäuse und ein Wildtyp-Tier untersucht. Die vier neuen zu charakterisierenden monoklonalen pE-Aß-Antikörper wurden von der Firma Probiodrug AG, Halle/Saale zur Verfügung gestellt. Sie wurden durch Immunisierung von C57Bl6-Mäusen mit einem Hexapeptid aus dem N-Terminus von pE-Aß (Sequenz pEFRHDS) generiert. Diese vier monoklonalen Antikörper besaßen verschiedene IgG-Subtypen: Klon K6 (IgG1), Klon K17 (IgG2b), Klon K24 (IgG1), Klon F8 (IgG3). Vergleichend wurde ein pE-Aß-Antikörper der Firma Synaptic Systems (Klon 2-48) vom Subtyp IgG1 verwendet. Auswahl der untersuchten Gehirne – „Gefäßhintergrund“. Durch ungleichmäßige Perfusion und Fixierung der Gehirne kann es zu einer unerwünschten Färbung von Blutgefäßen kommen, wodurch die Quantifizierung von Plaques erschwert wird. Um dies zu vermeiden wurden die Gehirne von 13 Mäusen hinsichtlich dieses Kriteriums mittels Immunhistochemie mit dem pE-Aß-Antikörper von Synaptic Systems untersucht und anschließend ausschließlich Tiere ohne oder mit sehr geringem Gefäßhintergrund verwendet. Eignung der neuen monoklonalen primären pE-Aß-Antikörper. Es wurde eine Versuchsreihe angefertigt, um die immunhistochemischen Färbungen der vier neuen monoklonalen pE-Aß-Antikörper an Mäusegewebe zu testen und diese mit dem etablierten Synaptic Systems Antikörper zu vergleichen. Die Testreihe zeigte erwartungsgemäß, dass der Synaptic Systems pE-Aß-Antikörper, aber auch die neuen Antikörper K6, K17 und F8 eine gute, jedoch auch unterschiedlich intensive Plaquefärbung erbrachten. Der Antikörper K24 wurde aus den weiteren Versuchsreihen ausgeschlossen, da keine Plaquefärbung nachweisbar war. Verdünnungsreihen der primären pE-Aß-Antikörper. Die verwendete Konzentration eines Antikörpers kann die Intensität der spezifischen Färbung, aber auch die Hintergrundfärbung stark beeinflussen. Deshalb galt es festzulegen, in welchen Verdünnungen die neuen primären pE-Aß-Antikörper zur Quantifizierung der Plaquefläche im Gehirn transgener Tg2576-Mäuse eingesetzt werden sollten. Für jeden einzelnen Antikörper wurde eine Verdünnungsreihe (1:100; 1:250; 1:500) angefertigt und die Verdünnung bestimmt, welche die beste immunhistochemische Visualisierung der Aß-Ablagerungen ermöglicht. Dies war für den Klon K6 1:100, für Klon K17 1:250 und für Klon F8 1:250. Verwendung geeigneter Sekundär-Antikörper. Kommerziell verfügbare Sekundär-Antikörper gegen Maus-IgGs erkennen entweder alle IgG-Subytpen, oder sind gegen einzelne IgG-Subtypen gerichtet. Um geeignete Sekundär-Antikörper zum Nachweis der pE-Aß-Antikörper für die Plaque-Darstellung zu identifizieren, wurden verschiedene Verdünnungen (1:200 und 1:400) von nicht-Subtyp-spezifischen und von Subtyp-spezifischen biotinylierten Esel-anti-Maus IgGs getestet. Dabei zeigte sich, dass in jedem Fall die biotinylierten subtypspezifischen sekundären Esel anti-Maus Antikörper in einer Verdünnung von 1:200 die geringste Hintergrundfärbung und das deutlichste Signal erbrachten. Deshalb wurden nur diese für die folgenden Versuchsreihen eingesetzt. Quantifizierung der Plaque-Beladung im Gehirn transgener Tg2576-Mäuse. Um die Plaque-Beladung in definierten Hirnstrukturen APP-transgener Tg2576-Mäuse zu quantifizieren, wurden für jeden der vier untersuchten pE-Aß-Antikörper (Synaptic Systems, K6, K17 und F8) in drei Altersstufen (16, 18 und 21 Monate) in neun verschiedenen koronalen Schnittebenen immunhistologische Färbungen durchgeführt. Die Schnittebenen befanden sich auf Ebenen, die folgende Strukturen enthalten: 1 Präfrontaler Kortex, 2 Basales Vorderhirn, 3 anteriore Kommissur, 4 Nucleus basalis, 5 Hippocampus anterior, 6 Hippocampus posterior, 7 Locus coeruleus anterior, 8 Locus coeruleus posterior, 9 kaudaler Hirnstamm. Dies ermöglichte es, in verschiedenen Hirnregionen die Ablagerung von pE-Aβ während des Alterungsprozesses zu untersuchen. Es wurden für jede Hirnregion die aufeinanderfolgenden Schnitte für die vier primären Antikörper ausgewählt, sodass ein Maximalabstand von 120 µm zwischen den Färbungen der pE-Aß-Antikörper besteht, da jeder Schnitt eine Dicke von 30 µm aufwies. Da je Altersstufe zwei Tiere analysiert wurden, ergeben sich pro Antikörper und Altersstufe 18 gefärbte und quantifizierte Schnitte, demzufolge resultiert pro untersuchtem Antikörper eine Gesamtzahl von 54 Schnitten. Die Gesamtzahl der ausgewerteten Schnitte dieser Arbeit beträgt 224. Die Quantifizierung erfolgte mit Hilfe des Computerprogramms BZ-II-Analyzer, einer Analysesoftware des Digitalmikroskops Keyence. Durch eine Aufnahme des kompletten Hirnschnitts und Markierung der Plaquefläche konnte deren prozentualer Anteil an der Hirnschnittfläche bestimmt werden. Betrachtet man die vier Antikörper untereinander, wird erkennbar, dass der pE-Aß-Antikörper von Synaptic Systems in jeder Altersstufe die größte Plaquefläche darstellt. Die pE-Aß-Antikörper K17 und F8 zeigen eine geringere und untereinander ähnliche Plaquefläche. Der K6 Antikörper weist die geringste Plaquefläche nach. Im Altersgang ist für alle untersuchten pE-Aß-Antikörper eine Zunahme der markierten Plaquefläche nachweisbar. Die untersuchten Gehirnschnittebenen sind unterschiedlich stark von pE-Aß-Ablagerungen betroffen. Die am weitesten rostral gelegene Schnittebene mit präfrontalem Kortex weist besonders viele pE-Aß-Ablagerungen auf, während die darauf folgende Schnittebene deutlich weniger pE-Aß-Ablagerungen zeigt. Danach gibt es Richtung kaudal wieder eine Zunahme der pE-Aß-Ablagerungen. In den Schnittebenen 7, 8 und 9 wurden keine pE-Aß-Ablagerungen nachgewiesen. Doppelmarkierungen von pE-Aß-Antikörpern verschiedener IgG-Subtypen und mit dem pan-Aß-Antikörper 4G8. Um nachzuweisen, ob alle untersuchten pE-Aß-Antikörper dieselben Strukturen darstellen, wurde eine Versuchsreihe mit Immunfluoreszenz-Doppelmarkierungen angefertigt. Obwohl die primären monoklonalen pE-Aß-Antikörper alle in der Maus generiert wurden, erlaubten die verschiedenen IgG-Subtypen eine Doppelmarkierung mit Subtypen-spezifischen Sekundärantikörpern. Dabei zeigte sich, dass alle pE-Aß-Antikörper dieselben Anteile von Aβ-Ablagerungen erkennen. Um nachfolgend zu zeigen, welche Anteile der Aβ-Ablagerungen von den pE-Aβ-Antikörpern erkannt werden, wurden Doppelmarkierungen der verschiedenen pE-Aß-Antikörper mit dem pan-Aß-Antikörper 4G8 angefertigt. Dabei konnte gezeigt werden, dass sich die pE-Aβ-Peptide im Zentrum der Aβ-Ablagerungen befinden. In dieser Arbeit konnten vier neue monoklonale Antikörper bezüglich ihrer Eignung zur immunhistochemischen Darstellung von pE-Aβ im Hirn transgener Mäuse mit Aß-Pathologie charakterisiert werden. Während der Klon K24 für die Plaquedarstellung ungeeignet ist, wurden für die Klone K17 und F8 vergleichbare, wenn auch geringere Plaqueflächen nachgewiesen als für den kommerziell verfügbaren Antikörper von Synaptic Systems. Der pE-Aß-Antikörper K6 markierte die geringste Plaquefläche. Dies könnte auf eine höhere Spezifität oder auf eine geringere Sensitivität von K17, F8 und K6 gegenüber dem Synaptic Systems Antikörper zurückzuführen sein. Mit Hilfe monoklonaler Antikörper gegen pE-Aß könnte es möglich sein, einen Impfstoff zu entwickeln, der gegen eine besonders toxische Aβ-Peptid-Variante gerichtet ist. Eine Immunisierung im Frühstadium der AD würde zwar nicht die Erkrankung in ihrem Ursprung heilen, könnte aber deren Verlauf verlangsamen. Zudem ist es denkbar, spezifische Antikörper gegen besonders neurotoxische pE-Aß-Varianten für die klinische Diagnosestellung zu etablieren.

Zur Verbesserung der Diagnostik der Alzheimer-Erkrankung wird die klinische Testung zunehmend durch Biomarker ergänzt. Diese können sowohl mittels Hirnbildgebung als auch mittels Liquor-Analyse erhoben werden. Aufgrund der großen Bedeutung in der Pathogenese der Alzheimer-Erkrankung wurde das ß-Amyloid als diagnostisches Kriterium implementiert, ebenso wie die mediale Temporallappenatrophie. Bis zur Einführung der kombinierten PET/MRT konnten die Informationen zu den genannten Bildgebungsparametern nur separat mit Hilfe mehrerer Aufnahmen gewonnen werden. Ziel der Studie war es deshalb, erstmalig herauszufinden, ob mit Hilfe der kombinierten Amyloid-PET/MRT Biomarker-Informationen zu allen Kategorien erhoben werden können. Gleichzeitig sollte überprüft werden, ob diese neue Bildgebungsmethode mit einem höheren Komfort für die Patienten/deren Angehörige und für die Überweiser einhergeht. Hierfür wurden die Daten der ersten 100 Probanden analysiert, die eine ß-Amyloid-Bildgebung am kombinierten PET/MRT in der nuklearmedizinischen Abteilung des Universitätsklinikums Leipzigs durchliefen. Es erfolgte eine visuelle und semiquantitative Analyse der Bildgebungsdaten sowie Umfragen bei den Patienten/deren Angehörigen und den überweisenden Ärzten. Anhand der Ergebnisse konnte gezeigt werden, dass die Methode in der Lage ist, Informationen zu allen Biomarkerkategorien bereitzustellen und dies mit einer hohen Patienten-/Angehörigen- bzw. Überweiser-Zufriedenheit einhergeht.:1. Alzheimer-Erkrankung 1.1 Epidemiologie 1.2 Klinische Präsentation 1.3 Pathologische Grundlagen 1.4 Diagnostik 1.4.1 Diagnostische Algorithmen 1.4.2 Biomarker 1.4.3 Bildgebende Verfahren 1.5 Therapie 2. Zielsetzung

Alzheimer's disease (AD) is characterised by a series of biomolecular aggregation events, which include the formation of neurotoxic protein structures composed of the β-amyloid (Aβ) peptide. In this thesis, fluorescence self-quenching (FSQ) between fluorescently-labelled peptides is introduced as a strategy for detecting and characterizing Aβ aggregates in solution, and for overcoming limitations associated with conventional methods. Using a combination of steady-state, picosecond time-resolved fluorescence and transmission electron microscopy, the fluorescence response of HiLyte Fluor 555-labelled Aβ peptides is characterised to demonstrate that Aβ self-assembly organizes the covalently attached probes in close proximity to trigger the self-quenching sensing process over a broad range of conditions. Importantly, N-terminal tagging of β-amyloid peptides is shown to not alter the self-assembly kinetics or the resulting aggregated structures. When performed in Förster resonance energy transfer (FRET) format, this method becomes a ratiometric platform to gain insights into amyloid structure and for standardizing in vitro studies of amyloid self-assembly. The ability of FSQ-based methods to monitor the inhibition of Aβ aggregation by model test compounds including the small heat shock protein (Hsp), the amyloid-binding alcohol dehydrogenase protein (ABAD) and bovine serum albumin (BSA) is also demonstrated. Given that Aβ is formed within the cell membrane and is known to induce its disruption, sophisticated single-molecule fluorescence spectroscopy methods were developed to quantify membrane dynamics induced by the presence of disrupting agents, such as Aβ and detergents. The solubilisation dynamics of single liposomes induced by the non-ionic surfactant Triton-X 100 (TX-100) were studied in real-time. Using this approach, the swelling and permeabilization steps of the solubilisation process were unambiguously separated within single FRET trajectories, and their kinetic details as a function of Triton-X 100 and presence of cholesterol within the membrane structure were examined. Finally, single-molecule stepwise-photobleaching techniques were employed to study the effect of Aβ oligomers interacting with supported-lipid bilayers, establishing a platform from which to investigate how the presence of a membrane layer affects Aβ oligomerization at the level of individual molecules. Overall, the fluorescence-based strategies for amyloid- and liposome-sensing presented in this work bridges the gap between current morphology-specific techniques and highly-specialized single-molecule methods to provide a biophysical toolbox to investigate the changes in structure, size and molecular interactions accompanying the amyloid aggregation pathway and for the screening of novel therapeutic and diagnostic agents.