Pulmonale Surfactant-Proteine sind seit vielen Jahrzehnten bekannt und wurden erstmals in der Lunge beschrieben, wo sie wichtige Funktionen wie die Reduktion der Oberflächenspannung der Alveolarflüssigkeit erfüllen. Aufgrund dieser Eigenschaft stellen diese Proteine Eckpfeiler in der Therapie des Atemnotsyndroms von Frühgeborenen dar, seitdem sie synthetisch produziert werden können. Während der letzten Jahre wuchs das Interesse an zerebralen Surfactant-Proteinen, die rheologische Eigenschaften von Grenzmembranen beeinflussen sowie immunmodulatorische Aufgaben erfüllen und in Verbindung mit Entzündungen des ZNS sowie hydrozephalen Zuständen stehen. Das Surfactant-Protein-G (SP-G) wurde ebenfalls zunächst in der Lunge nachgewiesen, später aber auch im Gehirn. Dort wurde es z.B. entlang der Blut-Hirn-Schranke detektiert und zeigte veränderte Proteinlevel bei intrazerebralen Blutungen, Infektionen oder dem posthämorrhagischen Hydrozephalus. Weiterhin wird eine mögliche Rolle des SP-G für das glymphatische System diskutiert. Es galt lange Zeit als sicher, dass dem ZNS ein Lymphgefäßsystem fehlt und Schadstoffe über den Liquor cerebrospinalis in die venösen Duralsinusse geleitet werden. Seit einigen Jahren ändert sich jedoch das Bild von der „Abfallentsorgung“ im Gehirn, wobei die Astroglia eine zentrale Rolle zu spielen scheint. Mit ihren Endfüßen umgeben diese Zellen die intrazerebralen Arterien und erzeugen über polarisierte Aquaporin 4 (AQP4) -Kanäle einen durch arterielle Pulsation ausgelösten, gerichteten Einstrom von Flüssigkeit aus dem periarteriellen Raum in das Hirnparenchym. Nachdem sie das Parenchym durchflossen haben, werden die transportierten Flüssigkeiten über perivenöse und perineuronale Räume sowie über Lymphgefäße innerhalb der Duralsinusse zu den extrakraniellen Lymphknoten geleitet. Dieses System wird als Glia-lymphatisches, kurz glymphatisches, System bezeichnet. Eine Störung des Flüssigkeitsstroms führt auch zu einer gestörten Entsorgung von schädlichen Metaboliten, darunter β-Amyloid (Aβ). Hauptsächlich aus Aβ bestehende senile Plaques und Neurofibrillen aus hyperphosphoryliertem Tau sind die histopathologischen Hauptkennzeichen der Alzheimerschen Erkrankung (AD), der mit Abstand häufigsten Demenzform. Weltweit sind etwa 50 Millionen Menschen von der AD betroffen, was zu enormen familiären, gesellschaftlichen und ökonomischen Belastungen führt. Steigendes Alter ist der Hauptrisikofaktor für das Auftreten der AD, sodass diese Belastungen insbesondere in der alternden deutschen Bevölkerung noch weiter zunehmen werden. Hieraus erklärt sich das enorme Forschungsinteresse an dieser Krankheit. Dabei ermöglichen Tiermodelle für einzelne Aspekte der AD Untersuchungen ihrer Pathogenese sowie die Entwicklung möglicher Therapie- und Behandlungsansätze. Die vorliegende Studie basiert auf dem etablierten 3xTg-Mausmodell, das Alzheimer-artige Veränderungen und kognitive Einschränkungen aufweist, sowie altersgleichen Wildtyp-Mäusen, die als Vergleichsgruppe dienten. Hauptziele der durchgeführten Untersuchungen waren immunhistochemische Analysen der Lokalisation von SP-G im Vorderhirn von Mäusen, die Lagebeziehungen von SP-G-Immunreaktivität (Ir) zu Komponenten der Neurovaskulären Einheit (NVU) und zu AD-Läsionen in alten 3xTg-Mäusen sowie biochemische Analysen der Proteinlevel von SP-G im Gehirn von Versuchstieren unterschiedlichen Alters und Genotyps. Mittels Fluoreszenz-Dreifachmarkierungen wurden zunächst die Lagebeziehungen zwischen SP-G-Ir und neuronalen, glialen sowie vaskulären Komponenten der NVU detektiert. Der Nachweis von Nervenzellen gelang durch indirekte Immunfluoreszenz mit Antikörpern gegen neuronale Nuklei (NeuN), Mikroglia wurden mit anti-Iba (Ionisiertes Kalium-bindendes Adapter-Molekül 1) visualisiert, während Astrozyten durch die Marker GFAP (Saures Gliafaserprotein) und S100β sowie astrozytäre Endfüße durch AQP4-Ir sichtbar wurden. Biotinylierte Lektine aus der Kartoffel (Solanum tuberosum Lektin, STL) und der Tomate (Lycopersicon esculentum Agglutinin, LEA) dienten zusammen mit fluorochromierten Streptavidin-Derivaten der simultanen Detektion von Gefäßen. Die vorliegende Studie zeigt erstmals SP-G-immunreaktive Somata und Zellfortsätze von Neuronen z.B. in der Habenula, im Hypothalamus und im Infundibulum. SP-G-Ir in sensorischen Fortsätzen bipolarer Interneurone, die in Kontakt mit dem Liquor cerebrospinalis stehen, ist ein Hinweis auf eine mögliche Rolle des Proteins bei Kontrolle und Regulation von Liquorzusammensetzung und -fließgeschwindigkeit. Zusätzlich vorliegende vorläufige Befunde zu SP-G-Ir in mit dem Plexus choroideus assoziierten Iba-positiven Kolmer-Zellen bleiben noch zu validieren. Ein weiteres wichtiges Ergebnis der vorliegenden Arbeit war der Nachweis von SP-G-Ir in dotartigen, häufig geclustert auftretenden Ablagerungen vor allem im Hippokampus, aber auch im piriformen Kortex. Die SP-G-Dots zeigten sich in 3xTg-Mäusen mit altersabhängigen Aβ-Plaques und hyperphosphoryliertem Tau stets räumlich getrennt von diesen Läsionen. Die geclustert auftretenden Dots waren auch immunpositiv für Reelin und ähnelten im Erscheinungsbild den in früheren Studien detektierten Ablagerungen z.B. von Laminin-bindendem Protein und SP-C. Ein Hauptgegenstand der vorliegenden Studie war die computergestützte Semiquantifizierung von SP-G-immunreaktiven hippokampalen Dots in insgesamt 55 3xTg- und Wildtyp-Mäusen im Alter von 3, 6, 12, 16 und 24 Monaten. Dabei ergab sich unabhängig vom Genotyp eine starke und signifikante Zunahme der SP-G-immunpositiven Ablagerungen im Altersgang der untersuchten Tiere. Außerdem zeigten 3xTg-Mäuse einen signifikant erhöhten hippokampalen Anteil der dotartigen Ablagerungen im Vergleich mit den altersentsprechen Wildtyp-Mäusen. Abschließender Schwerpunkt waren biochemische Analysen zur Quantifizierung des SP-G-und Reelin-Gehalts in der Gesamtproteinfraktion sowie im intra- und extrazellulären Kompartiment des ZNS von 3xTg- und Wildtyp-Mäusen. Die durchgeführten Enzymimmunassays (ELISAs) umfassten Hirnproben von 67 Tieren im Alter zwischen 3 und 24 Monaten. Dabei korrelierte das zunehmende Alter der 3xTg-Mäuse mit erhöhten SP-G-Konzentrationen, während sich bei Wildtyp-Tieren keine signifikante Veränderung im Altersgang nachweisen ließ. Zudem zeigten die transgenen Tiere höhere SP-G-Level als altersgleiche Wildtypen. Darüber hinaus waren auch die Reelin-Level aller Altersgruppen in 3xTg-Mäusen höher als in Wildtyp-Mäusen. Eine Korrelation zwischen zunehmendem Alter und Reelingehalt konnte für 3xTg-Mäuse nachgewiesen werden, wogegen sich diese Korrelation in Wildtyp-Tieren invers zeigte. Die hier vorgelegten Ergebnisse deuten auch auf eine mögliche Rolle von SP-G bei der Pathogenese der AD hin. Dennoch bildet diese Arbeit nur einen Ausgangspunkt für zukünftige Studien von Funktionen des SP-G innerhalb des glymphatischen Systems und für die zerebrale Immunabwehr. Zusätzliche elektronenmikroskopische Analysen von SP-G in Gehirnen weiterer Säugetier-Spezies sowie in autoptischen humanen Proben bleiben wünschenswert.

No description available.

Individuals in modern Western societies are experiencing increasing sedentary lifestyles, overindulgence of high fat, high-sugar diets, and extremely sterilized conditions, putting immense pressure on researchers and clinicians alike to come up with viable treatments for conditions implicated with an aging society. Emerging research have published the benefits of IMS and metabolic switching in a variety of neuroprotective, cellular stress resistance, and neuroplasticity pathways in animal models and clinical results from randomized trials of IMS regimens with susceptible human populations are soon to be published. The application of genome editing and next-generation sequencing (NGS) strategies to clinical and neurodegenerative research continues to elucidate the relationship between a patient’s specific genetic background and modern environmental stressors towards disease pathology. This study attempts to utilize novel CRISPR/Cas9 strategies to introduce targeted gene edits and explores the role of reduced ketone-body synthesis/metabolism with 3-hydroxymethyl-3-methylglutaryl-CoA lyase HMGCL KO, in the therapeutic and neuroprotective potential of intermittent metabolic switching in 3xTg mice, genetically predisposed for Alzheimer pathology. IMS-mediated attenuation of hippocampal spatial memory deficits was confirmed in 5-month-old 3xTg mice using Morris Water Maze and Aβ1-40, Aβ1-42, total tau and p-tau levels were calculated accordingly. Mice receiving time-restricted feeding (TRF) and caloric restriction (CR) regardless of KO performed better in the hippocampal-dependent spatial memory test and ELISA analysis of CSF revealed reduced p-tau levels of 3xTg WT TRF + CR mice relative to WT control or the two experimental groups. Overall, genetic modifications of key metabolic enzymes highlight the variable therapeutic results of the glucose to ketone metabolic switch on cognitive deficits depending on an organism’s genetic background.

Basal forebrain cholinergic neurons (BFCNs) are critical for learning and memory. Profound and early BFCN degeneration is a hallmark of aging and Alzheimer’s disease (AD). BFCNs depend for their survival on the retrograde axonal transport of neurotrophins, proteins critical for neuronal function. Neurotrophins like brain derived neurotrophic factor (BDNF) and pro-nerve growth factor (proNGF) are retrogradely transported to BFCNs from their synaptic targets. In AD, neurotrophin levels are increased within BFCN target areas and reduced in the basal forebrain, implicating dysfunctional neurotrophin transport in AD pathogenesis. However, neurotrophin transport within this highly susceptible neuronal population is currently poorly understood. We began by establishing protocols for the accurate quantification of axonal transport in BFCNs using microfluidic culture. We then determined the effect of age on neurotrophin transport. BFCNs were left in culture for up to 3 weeks to model aging in vitro. BFCNs initially displayed robust neurotrophin transport, which diminished with in vitro age. We observed that the levels of proNGF receptor tropomyosin-related kinase-A (TrkA) were reduced in aged neurons. Additionally, neurotrophin transport in BFCNs derived from 3xTg-AD mice, an AD model, was also impaired. Next, we sought to determine a mechanism for these transport deficits. First, we determined that proNGF transport was solely contingent upon the levels of TrkA. We then found that elevation of oxidative stress, an established AD contributor, significantly reduced both TrkA levels and proNGF retrograde transport. TrkA levels are partially regulated by protein tyrosine phosphatase-1B (PTP1B), an enzyme whose activity is reduced by oxidation. PTP1B antagonism significantly reduced TrkA levels and proNGF retrograde transport in BFCNs. Treatment of BFCNs with PTP1B-activating antioxidants rescued TrkA levels, proNGF transport, and proNGF-mediated axonal degeneration. Our results suggest that oxidative stress contributes to BFCN degeneration in aging and AD by impairing retrograde neurotrophin transport via oxidative PTP1B-mediated TrkA loss. / Thesis / Doctor of Philosophy (PhD) / During aging and Alzheimer’s disease (AD), the connections between neurons, a type of brain cell, break down, causing memory loss. This breakdown begins in a brain area called the basal forebrain. Basal forebrain neurons rely upon the transport of nutrients along their connections with other neurons, called axons, for proper function. This transport process becomes impaired in AD. Our goal was to understand why this happens. First, we determined that axonal transport was impaired with age and in basal forebrain neurons of mice genetically predisposed to develop AD. We recreated these impairments by increasing the levels of harmful molecules called reactive oxidative species (ROS). ROS levels increase with age and become abnormally high during AD. We found that increased ROS impair axonal transport and contribute to the breakdown of basal forebrain neurons. Our work suggests that reducing ROS will help prevent the breakdown of basal forebrain neurons in AD.

The classic surfactant proteins (SPs) A, B, C, and D were discovered in the lungs, where they contribute to host defense and regulate the alveolar surface tension during breathing. Their additional importance for brain physiology was discovered decades later. SP-G, a novel amphiphilic SP, was then identified in the lungs and is mostly linked to inflammation. In the brain, it is also present and significantly elevated after hemorrhage in premature infants and in distinct conditions affecting the cerebrospinal fluid circulation of adults. However, current knowledge on SP-G-expression is limited to ependymal cells and some neurons in the subventricular and superficial cortex. Therefore, we primarily focused on the distribution of SP-G-immunoreactivity (ir) and its spatial relationships with components of the neurovascular unit in murine forebrains. Triple fluorescence labeling elucidated SP-G-co-expressing neurons in the habenula, infundibulum, and hypothalamus. Exploring whether SP-G might play a role in Alzheimer’s disease (AD), 3xTg-AD mice were investigated and displayed age-dependent hippocampal deposits of β-amyloid and hyperphosphorylated tau separately from clustered, SP-G-containing dots with additional Reelin-ir—which was used as established marker for disease progression in this specific context. Semi-quantification of those dots, together with immunoassay-based quantification of intra- and extracellular SP-G, revealed a significant elevation in old 3xTg mice when compared to age-matched wildtype animals. This suggests a role of SP-G for the pathophysiology of AD, but a confirmation with human samples is required.

De récents travaux ont mis en évidence que des dysfonctionnements dans l’expression de gènes impliqués dans la plasticité synaptique contribuent aux déclins cognitifs qu’on observe chez les gens âgés et à la progression de la maladie d’Alzheimer. Notre étude avait comme objectif d’étudier le profil d’expression d’ARNm spécifiques impliqués dans la plasticité synaptique chez des rats jeunes et âgés et chez des souris transgéniques 3xTg et WT. Des expériences en qRT-PCR ont été effectuées dans des extraits de cortex et d’hippocampe de rats jeunes et âgés et de souris 3xTg et WT, respectivement. Les résultats ont démontré une augmentation significative de l’expression d’ARNm MAP1B, Stau2, BDNF, CREB et AGO2 principalement dans l’hippocampe (régions CA1-CA3) des souris 3xTg comparé aux souris WT. Une diminution significative a également été observée pour l’ARNm αCaMKII dans le cortex des souris 3xTg comparé aux souris WT. Contrairement à ces observations, aucun changement n’a été observé pour l’expression de gènes impliqués dans la plasticité synaptique chez les rats âgés comparé aux rats jeunes. Ces résultats démontrent qu’un dysfonctionnement existe réellement au début de la maladie d’Alzheimer dans l’expression de gènes spécifiques impliqués dans la plasticité synaptique et contribue potentiellement à la progression de la maladie en engendrant un déséquilibre entre la LTP et la LTD. De plus, les différences d’expressions sont particulièrement observées dans l’hippocampe (régions CA1-CA3) ce qui est consistant avec les études sur la progression de la maladie d’Alzheimer puisqu’il est connu que la région CA1 de l’hippocampe est la plus vulnérable à l’apparition de la maladie. Ces résultats permettent une meilleure compréhension des événements moléculaires qui deviennent dérégulés à l’apparition de la maladie d’Alzheimer. / Recent work has demonstrated that dysregulations in the expression profile of plasticity-related genes in specific brain regions contribute to age-related cognitive decline and Alzheimer’s disease. The aim of this study was to determine the expression profile of a subset of plasticity-related mRNAs in different regions of the brain of young and aged rats as well as 3xTg and wild type (WT) mice. qRT-PCR experiments were performed in extracts of cortex and hippocampus of young and aged rats and of 3xTg and WT mice, respectively. Results demonstrated significant increases in the expression of MAP1B, Stau2, CREB, BDNF, and AGO2 mRNAs, especially in the hippocampus (CA1-CA3 fields) of 3xTg mice compared to WT mice. A significant decrease was also observed in the expression of αCaMKII mRNA in the cortex of 3xTg mice compared to WT mice. On the other hand, no significant changes were observed in the expression of plasticity-related genes in the hippocampus of aged rats compared to young rats. These results confirm that alterations in gene expression occur at the onset of AD and possibly contribute to the progression of the disease by causing an imbalance between long-term potentiation and long-term depression. In addition, patterns of significant altered gene expression, especially in the hippocampus (CA1-CA3 fields) of 3xTg mice are consistent with the progression of AD whereby the hippocampus (CA1 region) is most vulnerable at the onset of the disease. These results provide a better understanding of the molecular events that first become disturbed in AD.

De récents travaux ont mis en évidence que des dysfonctionnements dans l’expression de gènes impliqués dans la plasticité synaptique contribuent aux déclins cognitifs qu’on observe chez les gens âgés et à la progression de la maladie d’Alzheimer. Notre étude avait comme objectif d’étudier le profil d’expression d’ARNm spécifiques impliqués dans la plasticité synaptique chez des rats jeunes et âgés et chez des souris transgéniques 3xTg et WT. Des expériences en qRT-PCR ont été effectuées dans des extraits de cortex et d’hippocampe de rats jeunes et âgés et de souris 3xTg et WT, respectivement. Les résultats ont démontré une augmentation significative de l’expression d’ARNm MAP1B, Stau2, BDNF, CREB et AGO2 principalement dans l’hippocampe (régions CA1-CA3) des souris 3xTg comparé aux souris WT. Une diminution significative a également été observée pour l’ARNm αCaMKII dans le cortex des souris 3xTg comparé aux souris WT. Contrairement à ces observations, aucun changement n’a été observé pour l’expression de gènes impliqués dans la plasticité synaptique chez les rats âgés comparé aux rats jeunes. Ces résultats démontrent qu’un dysfonctionnement existe réellement au début de la maladie d’Alzheimer dans l’expression de gènes spécifiques impliqués dans la plasticité synaptique et contribue potentiellement à la progression de la maladie en engendrant un déséquilibre entre la LTP et la LTD. De plus, les différences d’expressions sont particulièrement observées dans l’hippocampe (régions CA1-CA3) ce qui est consistant avec les études sur la progression de la maladie d’Alzheimer puisqu’il est connu que la région CA1 de l’hippocampe est la plus vulnérable à l’apparition de la maladie. Ces résultats permettent une meilleure compréhension des événements moléculaires qui deviennent dérégulés à l’apparition de la maladie d’Alzheimer. / Recent work has demonstrated that dysregulations in the expression profile of plasticity-related genes in specific brain regions contribute to age-related cognitive decline and Alzheimer’s disease. The aim of this study was to determine the expression profile of a subset of plasticity-related mRNAs in different regions of the brain of young and aged rats as well as 3xTg and wild type (WT) mice. qRT-PCR experiments were performed in extracts of cortex and hippocampus of young and aged rats and of 3xTg and WT mice, respectively. Results demonstrated significant increases in the expression of MAP1B, Stau2, CREB, BDNF, and AGO2 mRNAs, especially in the hippocampus (CA1-CA3 fields) of 3xTg mice compared to WT mice. A significant decrease was also observed in the expression of αCaMKII mRNA in the cortex of 3xTg mice compared to WT mice. On the other hand, no significant changes were observed in the expression of plasticity-related genes in the hippocampus of aged rats compared to young rats. These results confirm that alterations in gene expression occur at the onset of AD and possibly contribute to the progression of the disease by causing an imbalance between long-term potentiation and long-term depression. In addition, patterns of significant altered gene expression, especially in the hippocampus (CA1-CA3 fields) of 3xTg mice are consistent with the progression of AD whereby the hippocampus (CA1 region) is most vulnerable at the onset of the disease. These results provide a better understanding of the molecular events that first become disturbed in AD.