Die Alzheimersche Erkrankung (AD) ist die häufigste Demenzerkrankung bei älteren Menschen in den westlichen Industriestaaten mit ständig wachsender Zahl der Erkrankten. Trotz angestrengter wissenschaftlicher und medizinischer Forschung ist u. a. noch keine Möglichkeit der klinischen Frühdiagnose dieser Erkrankung etabliert. In der vorliegenden Arbeit wurden am transgenen Mausmodell Tg2576 mit beta-Amyloidplaque-Pathologie cholinerge und adrenerge Parameter sowie Einfluss-größen des Energiestoffwechsels untersucht, um transgen-induzierte neuro-chemische bzw. neuromorphologische Veränderungen im Hirngewebe zu erkennen. Außerdem sollte die Möglichkeit einer ex vivo Markierung solcher Moleküle getestet werden, von denen eine besondere Bindungsaffinität an beta-Amyloidablagerungen bereits bekannt ist. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war, diese Mauslinie weiterhin hinsichtlich ihres Modellcharakters für die Alzheimersche Erkrankung zu beschreiben und potenzielle Plaque-assoziierte Markermoleküle aufzufinden, die einen in vivo Nachweis der b-Amyloidablagerungen erlauben. Die so gewonnenen Erkenntnisse könnten zur Entwicklung neuer Strategien zur Frühdiagnostik der Alzheimerschen Erkrankung beitragen. Genutzt wurden dazu v. a. die biochemischen Methoden der Rezeptorautoradiografie und der Immunhistochemie sowie der in situ Hybridisierung als molekularbiologische Methode. Weiterhin wurde eine radiochemische Methode zur ex vivo Darstellung der Azetylcholinesterase getestet. Bei der Untersuchung des cholinergen Systems konnte eine signifikante Verringerung in der [3H]Hemicholinium-3-Bindung (als Marker des hoch affinen Cholintransporters) bei den fünf Monate alten transgenen Mäusen im Vergleich zu deren nicht transgenen Wurfgeschwistern festgestellt werden. Es wird hier von einem modulatorischen Effekt des löslichen beta-Amyloids ausgegangen, da die jüngeren Tiere noch keine Plaqueablagerungen aufweisen, die Ursache solcher Veränderungen sein könnten. Beim vesikulären Azetylcholintransposter (VAChT) konnte eine signifikante Erhöhung in der [3H]Vesamicol-Bindung bei 17 Monate alten transgenen Mäusen im Vergleich zu nicht transgenen Geschwistertieren beobachtet werden, obwohl der gegenteilige Fall erwartet wurde. Das Ergebnis wird als Ausdruck einer erhöhten Vesikeldichte interpretiert. Die immunhistochemische Untersuchung der a4- und a7-Untereinheiten der nikoti-nischen Azetylcholinrezeptoren ergab, dass die beta-Amyloidplaqueablagerung keinen Einfluss auf morphologische Veränderungen der Neuronen hatte, die diese Rezep-toren tragen. Es gab keine Hinweise, dass solche Neuronen degenerieren. Hinsichtlich der untersuchten Parameter des Glukosestoffwechsels konnten keine Veränderungen zwischen transgenen Tieren und nicht transgenen Wurfgeschwistern festgestellt werden. Bei der Verteilung der Hirnkapillaren konnte eine verringerte Dichte in unmittelbarer Umgebung der b-Amyloidplaques, verglichen mit weiter entfernt liegenden Gebieten, ermittelt werden. Dieser Befund bedarf weiterer Unter-suchungen, da er Relevanz für die in vivo Diagnostik und Therapie besitzen könnte. Im Vergleich mit den zwar oft nicht einheitlichen Befunden bei Alzheimerpatienten wird deutlich, dass das Mausmodell Tg2576 als Modell der Alzheimerschen Erkrankung nicht alle Aspekte der Pathogenese simuliert. Übereinstimmungen ergeben sich bei dieser transgenen Maus hinsichtlich der beta-Amyloidproduktion und -ablagerung im Hirn und den auch beim Menschen vorkommenden entzündlichen Reaktion um die Plaques. Damit kann sie als geeignetes Modell zum Studium der Amyloidogenese und damit verbundener inflammatorischer Prozesse angesehen werden. / Alzheimer´s Disease (AD) is the most common form of dementia among the elderly in the Western world, with growing prevalence. In spite of intensive scientific and medical research, no possibility of early clinical diagnosis for this disease has yet been established. In this thesis cholinergic and adrenergic parameters, as well as energy metabolism, were studied in the transgenic mouse model Tg2576, to reveal transgene-induced neurochemical and neuromorphological changes in the brain tissue of these animals. Also, the ex vivo labelling of marker molecules with a known high affinity for beta-amyloid was to be tested. The objective was to further characterize the Tg2576 mouse strain as a model of AD, and to find plaque-associated marker molecules which could be used for the in vivo detection of b-amyloid plaques. Such findings could contribute to the development of new stategies for the early diagnosis of AD. Quantitative receptor autoradiography, immunohistochemistry and in situ hybridization were the main biochemical and molecular biological methods employed. Furthermore, a radiochemical method was used for ex vivo labelling of acetylcholinesterase. The 5 month-old transgenic mice, with no significant plaque load, demonstrated reduced [3H]hemicholinium-3 binding to choline uptake sites in anterior brain regions, as compared to non-transgenic littermates. This provides evidence of the modulatory effect of soluble beta-amyloid on high affinity choline uptake sites. However, a significant increase of [3H]vesamicol receptor binding to the vesicular acetylcholine transporter was detected in 17 month-old transgenic animals, as compared to non-transgenic mice. Even though the opposite was expected, the result could be interpreted as an elevated vesicle density. The immunhistochemical studies of a4 and a7 subunits of the nicotinic acetylcholine receptor revealed that neurons expressing these receptors do not undergo morphological changes in close proximity to beta-amyloid plaques. There was no sign of degeneration in these neurons. Concerning the examined parameters of glucose metabolism, no changes between transgenic animals and non-transgenic littermates were detected. This observation is in accordance with the data available in the literature, but in contrast to findings in AD patients. The density of brain capillaries in close vicinity of beta-amyloid plaques, compared to a more distant surrounding, is reduced. This finding needs further examination because it could be relevant for in vivo diagnosis and therapy. Comparing the transgenic Tg2576 mouse model to AD patients, it becomes apparent that the mouse model does not simulate all aspects of the pathogenesis of this disease. Consistent with the human disease this model is characterized by b-amyloid plaque production and deposition in the brain, as well as inflammatory processes around the plaques, which are also known in humans. Therefore, it represents a suitable model to study amyloidogenesis and inflammation.

Die Alzheimersche Erkrankung (AD) ist die häufigste Demenzerkrankung bei älteren Menschen in den westlichen Industriestaaten mit ständig wachsender Zahl der Erkrankten. Trotz angestrengter wissenschaftlicher und medizinischer Forschung ist u. a. noch keine Möglichkeit der klinischen Frühdiagnose dieser Erkrankung etabliert. In der vorliegenden Arbeit wurden am transgenen Mausmodell Tg2576 mit beta-Amyloidplaque-Pathologie cholinerge und adrenerge Parameter sowie Einfluss-größen des Energiestoffwechsels untersucht, um transgen-induzierte neuro-chemische bzw. neuromorphologische Veränderungen im Hirngewebe zu erkennen. Außerdem sollte die Möglichkeit einer ex vivo Markierung solcher Moleküle getestet werden, von denen eine besondere Bindungsaffinität an beta-Amyloidablagerungen bereits bekannt ist. Das Ziel der vorliegenden Arbeit war, diese Mauslinie weiterhin hinsichtlich ihres Modellcharakters für die Alzheimersche Erkrankung zu beschreiben und potenzielle Plaque-assoziierte Markermoleküle aufzufinden, die einen in vivo Nachweis der b-Amyloidablagerungen erlauben. Die so gewonnenen Erkenntnisse könnten zur Entwicklung neuer Strategien zur Frühdiagnostik der Alzheimerschen Erkrankung beitragen. Genutzt wurden dazu v. a. die biochemischen Methoden der Rezeptorautoradiografie und der Immunhistochemie sowie der in situ Hybridisierung als molekularbiologische Methode. Weiterhin wurde eine radiochemische Methode zur ex vivo Darstellung der Azetylcholinesterase getestet. Bei der Untersuchung des cholinergen Systems konnte eine signifikante Verringerung in der [3H]Hemicholinium-3-Bindung (als Marker des hoch affinen Cholintransporters) bei den fünf Monate alten transgenen Mäusen im Vergleich zu deren nicht transgenen Wurfgeschwistern festgestellt werden. Es wird hier von einem modulatorischen Effekt des löslichen beta-Amyloids ausgegangen, da die jüngeren Tiere noch keine Plaqueablagerungen aufweisen, die Ursache solcher Veränderungen sein könnten. Beim vesikulären Azetylcholintransposter (VAChT) konnte eine signifikante Erhöhung in der [3H]Vesamicol-Bindung bei 17 Monate alten transgenen Mäusen im Vergleich zu nicht transgenen Geschwistertieren beobachtet werden, obwohl der gegenteilige Fall erwartet wurde. Das Ergebnis wird als Ausdruck einer erhöhten Vesikeldichte interpretiert. Die immunhistochemische Untersuchung der a4- und a7-Untereinheiten der nikoti-nischen Azetylcholinrezeptoren ergab, dass die beta-Amyloidplaqueablagerung keinen Einfluss auf morphologische Veränderungen der Neuronen hatte, die diese Rezep-toren tragen. Es gab keine Hinweise, dass solche Neuronen degenerieren. Hinsichtlich der untersuchten Parameter des Glukosestoffwechsels konnten keine Veränderungen zwischen transgenen Tieren und nicht transgenen Wurfgeschwistern festgestellt werden. Bei der Verteilung der Hirnkapillaren konnte eine verringerte Dichte in unmittelbarer Umgebung der b-Amyloidplaques, verglichen mit weiter entfernt liegenden Gebieten, ermittelt werden. Dieser Befund bedarf weiterer Unter-suchungen, da er Relevanz für die in vivo Diagnostik und Therapie besitzen könnte. Im Vergleich mit den zwar oft nicht einheitlichen Befunden bei Alzheimerpatienten wird deutlich, dass das Mausmodell Tg2576 als Modell der Alzheimerschen Erkrankung nicht alle Aspekte der Pathogenese simuliert. Übereinstimmungen ergeben sich bei dieser transgenen Maus hinsichtlich der beta-Amyloidproduktion und -ablagerung im Hirn und den auch beim Menschen vorkommenden entzündlichen Reaktion um die Plaques. Damit kann sie als geeignetes Modell zum Studium der Amyloidogenese und damit verbundener inflammatorischer Prozesse angesehen werden. / Alzheimer´s Disease (AD) is the most common form of dementia among the elderly in the Western world, with growing prevalence. In spite of intensive scientific and medical research, no possibility of early clinical diagnosis for this disease has yet been established. In this thesis cholinergic and adrenergic parameters, as well as energy metabolism, were studied in the transgenic mouse model Tg2576, to reveal transgene-induced neurochemical and neuromorphological changes in the brain tissue of these animals. Also, the ex vivo labelling of marker molecules with a known high affinity for beta-amyloid was to be tested. The objective was to further characterize the Tg2576 mouse strain as a model of AD, and to find plaque-associated marker molecules which could be used for the in vivo detection of b-amyloid plaques. Such findings could contribute to the development of new stategies for the early diagnosis of AD. Quantitative receptor autoradiography, immunohistochemistry and in situ hybridization were the main biochemical and molecular biological methods employed. Furthermore, a radiochemical method was used for ex vivo labelling of acetylcholinesterase. The 5 month-old transgenic mice, with no significant plaque load, demonstrated reduced [3H]hemicholinium-3 binding to choline uptake sites in anterior brain regions, as compared to non-transgenic littermates. This provides evidence of the modulatory effect of soluble beta-amyloid on high affinity choline uptake sites. However, a significant increase of [3H]vesamicol receptor binding to the vesicular acetylcholine transporter was detected in 17 month-old transgenic animals, as compared to non-transgenic mice. Even though the opposite was expected, the result could be interpreted as an elevated vesicle density. The immunhistochemical studies of a4 and a7 subunits of the nicotinic acetylcholine receptor revealed that neurons expressing these receptors do not undergo morphological changes in close proximity to beta-amyloid plaques. There was no sign of degeneration in these neurons. Concerning the examined parameters of glucose metabolism, no changes between transgenic animals and non-transgenic littermates were detected. This observation is in accordance with the data available in the literature, but in contrast to findings in AD patients. The density of brain capillaries in close vicinity of beta-amyloid plaques, compared to a more distant surrounding, is reduced. This finding needs further examination because it could be relevant for in vivo diagnosis and therapy. Comparing the transgenic Tg2576 mouse model to AD patients, it becomes apparent that the mouse model does not simulate all aspects of the pathogenesis of this disease. Consistent with the human disease this model is characterized by b-amyloid plaque production and deposition in the brain, as well as inflammatory processes around the plaques, which are also known in humans. Therefore, it represents a suitable model to study amyloidogenesis and inflammation.

Grundlage der vorgelegten Arbeit sind die bei der Alzheimerschen Erkrankung beobachtbaren pathologischen Merkmale, wie die progressive Akkumulation von β-Amyloid-Plaques, cholinerger Dysfunktion und zerebrovaskuläre Abnormalitäten. Die in englischer Sprache verfasste Dissertation ist eine tierexperimentelle Studie, die versucht, den Zusammenhang von β-Amyloid, cholinerger Neurotransmission und zerebralem Gefäßsystem bei der Alzheimerschen Erkrankung näher zu charakterisieren. An Hirnmaterial aus der transgenen Maus Tg2576, die die schwedische Mutation des humanen Amyloidpräkursorproteins als Transgen trägt und ab dem 10. Lebensmonat durch humane β-Amyloid-Plaqueablagerungen in der Hirnrinde imponiert, wurden im Altersverlauf (4 bis 18 Monate) immunhistochemische Untersuchungen zur morphologischen Integrität der zerebralen Mikrogefäße, der kortikalen cholinergen Nervterminalen und der intrazerebralen cholinergen neurovaskulären Innervation durchgeführt. Am somatosensorischen Kortex werden beispielhaft die Expression des Glukosetransporters 1 oder Solanum tuberosum Lektin als Kapillarmarker und des vesikulären Acetylcholintransporters als Marker für cholinerge Fasern mittels Immunfluoreszenz und Laser-Scanning Mikroskopie erfasst, einer semiquantitativen Computer-gestützten Bildanalytischen Auswertung unterzogen und mit dem Ausmaß der kortikalen Plaquebeladung korreliert. So konnte gezeigt werden, dass die Dichte der Blutgefäße und cholinergen Fasern im somatosensorischen Kortex von transgenen Tieren mit dem Alter im Vergleich zu nichttransgenen Kontrolltieren abnimmt, was mit einer Reduktion der perivaskulären cholinergen Innervation einhergeht. Die erhobenen Befunde stützen die von J.C. de la Torre und T. Mussivand schon im Jahre 1993 formulierte „vaskuläre Hypothese“, wonach bei der sporadischen Form der Alzheimerschen Erkrankung alters- und Lebensstil-bedingte Schädigungen des zerebralen Gefäßsystems eine zentrale Rolle bei der Manifestierung der Erkrankung spielen.

Grundlage der vorgelegten Arbeit sind die bei der Alzheimerschen Erkrankung beobachtbaren pathologischen Merkmale, wie die progressive Akkumulation von β-Amyloid-Plaques, cholinerger Dysfunktion und zerebrovaskuläre Abnormalitäten. Die in englischer Sprache verfasste Dissertation ist eine tierexperimentelle Studie, die versucht, den Zusammenhang von β-Amyloid, cholinerger Neurotransmission und zerebralem Gefäßsystem bei der Alzheimerschen Erkrankung näher zu charakterisieren. An Hirnmaterial aus der transgenen Maus Tg2576, die die schwedische Mutation des humanen Amyloidpräkursorproteins als Transgen trägt und ab dem 10. Lebensmonat durch humane β-Amyloid-Plaqueablagerungen in der Hirnrinde imponiert, wurden im Altersverlauf (4 bis 18 Monate) immunhistochemische Untersuchungen zur morphologischen Integrität der zerebralen Mikrogefäße, der kortikalen cholinergen Nervterminalen und der intrazerebralen cholinergen neurovaskulären Innervation durchgeführt. Am somatosensorischen Kortex werden beispielhaft die Expression des Glukosetransporters 1 oder Solanum tuberosum Lektin als Kapillarmarker und des vesikulären Acetylcholintransporters als Marker für cholinerge Fasern mittels Immunfluoreszenz und Laser-Scanning Mikroskopie erfasst, einer semiquantitativen Computer-gestützten Bildanalytischen Auswertung unterzogen und mit dem Ausmaß der kortikalen Plaquebeladung korreliert. So konnte gezeigt werden, dass die Dichte der Blutgefäße und cholinergen Fasern im somatosensorischen Kortex von transgenen Tieren mit dem Alter im Vergleich zu nichttransgenen Kontrolltieren abnimmt, was mit einer Reduktion der perivaskulären cholinergen Innervation einhergeht. Die erhobenen Befunde stützen die von J.C. de la Torre und T. Mussivand schon im Jahre 1993 formulierte „vaskuläre Hypothese“, wonach bei der sporadischen Form der Alzheimerschen Erkrankung alters- und Lebensstil-bedingte Schädigungen des zerebralen Gefäßsystems eine zentrale Rolle bei der Manifestierung der Erkrankung spielen.:CHAPTER 1: INTRODUCTION 1.1 Alzheimer’s disease 1 1.2 APP processing and β-amyloid production 2 1.3 Cholinergic dysfunction in Alzheimer’s disease 5 1.4 Cerebrovascular abnormalities in Alzheimer’s disease 8 1.5 Cholinergic innervation of intracortical cerebral microvessels 9 1.6 Transgenic Tg2576 mouse model of Alzheimer’s disease 11 1.7 Aim of study 14 CHAPTER 2: MATERIALS AND METHODS 2.1 Materials 15 2.1.1 Chemical reagents used 15 2.1.2 Biological reagents used 15 2.1.3 Preparation of solutions and buffers 15 2.1.4 Antibodies and reagents used for immunohistochemistry 17 2.1.5 Transgenic animals 19 2.2 Methods 20 2.2.1 Tissue preparation and sampling of sections 20 2.2.2 Immunohistochemistry 20 2.2.2.1 Protocol of immunofluorescent labeling 20 2.2.2.2 Protocol of immunoperoxidase labeling (ABC technique) 21 2.2.2.3 Combination of primary and secondary antibodies 22 2.2.2.4 Protocol of β–amyloid immunolabeling (Formic acid epitope retrieval method) 23 2.2.3 Histochemistry 23 2.2.3.1 Thioflavin S staining 23 2.2.3.2 Nissl staining 23 2.2.3.3 Solanum Tuberosum Lectin (STL) staining 24 2.2.4 Double and triple-coloured immuno-/ histochemical staining of brain sections 24 2.2.5 Microscopy and digital image processing 25 2.2.6 Morphological and morphometric analyses 25 2.2.6.1 Cortical microvessels 25 2.2.6.2 Cortical cholinergic innervation 27 2.2.6.2.1 Total density of VAChT-immunoreactivity 27 2.2.6.2.2 Estimation of the density of varicosities on cholinergic fibres 29 2.2.6.3 Estimation of cholinergic perivascular innervation of cortical microvessels 29 2.2.6.4 Three-dimensional-imaging of vessels innervation 30 2.2.7 Statistical analysis 30 CHAPTER 3: RESULTS 3.1 Developmental and amyloid plaque-related changes in cerebral cortical capillaries in transgenic Tg2576 Alzheimer mice 31 3.1.1 Morphological distribution of brain vessels in the cerebral cortex of wild type mice 31 3.1.2 Microvessel density under plaque burden 33 3.2 Developmental and amyloid plaque-related changes in cholinergic neurotransmission in cholinoceptive target regions of transgenic Tg2576 mice 39 3.2.1 Visualisation of cholinergic nerve terminals in mouse brain 39 3.2.2 VAChT-Expression in wild type and transgenic Tg2576 mice 40 3.3 Role of cholinergic system in β-amyloid-related changes in the cerebrovascular system of transgenic Tg2576 mice 46 3.3.1 Solanum tuberosum lectin (STL) histochemistry in visualisation of brain vessels, β-amyloid, and microglia 46 3.3.1.1 Solanum tuberosum lectin and brain vessels 46 3.3.1.2 Solanum tuberosum lectin and β-amyloid plaques 47 3.3.1.3 Solanum tuberosum lectin staining to visualize glial cells 48 3.3.2 Cholinergic perivascular innervation of cerebral cortical microvessels in transgenic Tg2576 and wild type mice 50 CHAPTER 4: DISCUSSION 4.1 β-Amyloid and brain vascular system: the vascular hypothesis of Alzheimer’s disease 55 4.1.1 Evidences of a role of vascular mechanisms in Alzheimer’s disease 55 4.1.2 Effect of β-amyloid on brain vascular system 57 4.1.3 Effect of ischemia and hypoperfusion on APP processing 59 4.1.4 Effect of β-amyloid on cholinergic function in brain vascular system 59 4.2 Aim of study and main results obtained 61 4.3 Age-related changes in cerebral cortical microvessels in the presence and absence of β-amyloid plaque load 62 4.4 Age-related changes of cholinergic terminals in cholinoceptive target regions in the presence and absence of β-amyloid plaque load 64 4.4.1 VAChT – a reliable marker for detection of cholinergic terminals in cerebral cortex 64 4.4.2 The barrel field of the somatosensory cortex 1 (S1BF) as a model region to reveal age-related changes in cholinergic innervation 65 4.4.3 VAChT expression: morphological and morphometric studies 66 4.5 Age-related changes in cholinergic innervation of cerebral cortical microvessels in the presence and absence of β-amyloid plaque load 69 4.5.1 STL – a mono-marker for detection of cortical vessels, senile amyloid plaques and activated microglia in cerebral cortex 69 4.5.2 Cholinergic perivascular innervation of cerebral cortical microvessels in transgenic Tg2576 mice 70 4.5.3 Quantitation of cholinergic input on cerebral microvessels of mouse brain 71 4.6 Summary and conclusions 75 REFERENCES 77