Charakterizace lipidových biomarkerů Alzheimerovy choroby

Durga Jha, Ph.D.

Doctoral thesis

Characterization of lipid biomarkers of Alzheimer's disease

Abstract:

Alzheimerova choroba (AD) je neurodegenerativní porucha charakterizovaná poklesem kognitivních funkcí a ztrátou paměti,postihující zejména stárnoucí populaci. Přesná etiolo-gie zůstává nejasná, ale lepší pochopení patofyziologie AD je nezbytné pro identifikaci bi-omarkerů a terapeutických cílů. Tato disertační práce se zaměřuje na gangliosidy, což jsou glykosfingolipidy hojně se vysky-tující v lidském mozku, aby objasnila jejich roli v AD. Byla vyvinuta cílená LC-MS/MS metoda pro kvantifikaci gangliosidů v různých biologických matricích, včetně lidské moz-kové tkáně, mozkomíšního moku (CSF) a cerebrálních organoidů. Tato selektivní a citlivá analytická technika se ukázala nepotradatelná při zkoumání dysregulace metabolismu gan-gliosidů během AD. Byly odhaleny změny složení gangliosidů v potkaním mozku během stárnutí. V mozcích starších potkanů ubývalo polysialogangliosidů a naopak přibývalo monosialogangliosidů. Podobné změny byly pozorovány v lidských mozcích pocientů s AD, zvláště výrazné byly v choroidálním plexu, což naznačuje potenciální spojení mezi gangliosidy a patogenezí AD. Cerebrální organoidy byly použity jako in vitro model pro studium neurodegenerace. Pro-filování gangliosidů v těchto organoidech odhalilo kolokalizaci s proteinovými markery v neuronech. Expozice tramiprosatem, ApoE anti-oligomerem a inhibitorem agregace, vedla ke snížení hladin gangliosidů v AD organoidech. Tento objev může vést k prvnímu účin-nému léku na AD. Výzkum organoidů s různými ApoE genotypy, odhalil zvýšené celkové hladiny gangliosidů v organoidech ApoE4 po inhibici sekretázy, což demostruje vliv ApoE genotypu na hladiny gangliosidů v nervové tkáni. Gangliosidy mohou sloužit jako indikátory neurodegenerace, včasné biomarkery AD a možné terapeutické cíle. Budoucí výzkum by se měl zaměřit na vztah mezi gangliosidy a Aβ peptidem validovaný na větším počtu klinických vzorků.

Abstract:

Alzheimer's disease (AD) is a prevalent neurodegenerative disorder characterized by cognitive decline and memory loss, particularly affecting the aging population. While the exact etiology remains unclear, a better understanding of AD's pathophysiology is imperative to identify biomarkers and therapeutic targets. The dissertation focuses on gangliosides, glycosphingolipids abundant in the human brain, to elucidate their role in AD. A targeted LC-MS/MS assay was developed to quantify gangliosides in various biological matrices, including human brain tissue, cerebrospinal fluid (CSF), and cerebral organoids. This selective and sensitive analytical technique proved essential in investigating ganglioside dysregulation in AD. First, the distribution of gangliosides was mapped in the rat brain to reveal age-related alterations. The polysialic gangliosides decreased, and monosialic gangliosides increased in older rats' brains. Similar changes were described in human AD brains, particularly prominent in the choroid plexus, suggesting a potential link between gangliosides and AD pathogenesis. Cerebral organoids were used as an in vitro model of neurodegeneration. Ganglioside profiling in these organoids revealed associations with protein markers co-localized in neuronal cells. Tramiprosate, an Aβ anti-oligomer and aggregation inhibitor, reduced ganglioside levels in AD organoids, potentially resulting in AD therapeutics. Investigating ApoE genotypes, a known AD risk factor, revealed increased total ganglioside levels in ApoE4 organoids upon secretase inhibition, providing insight into the interplay between ApoE genotypes and gangliosides. These findings suggest that ganglioside levels may indicate neurodegeneration, offering promise as reliable AD biomarkers and potential therapeutic targets. Future research should explore the relationship between gangliosides and Aβ peptides, with validation in larger clinical samples.

Keywords

Alzheimer’s Disease, Gangliosides, Lipidomics, Liquid Chromatography, Mass Spectrometry, Cerebral Organoids

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 5. 10. 2023

Thesis defence

• Date of defence: 11. 12. 2023
• Supervisor: PharmDr. Zdeněk Spáčil, Ph.D.
• Reader: Prof. Ing. Michal Holčapek, Ph.D., Assoc. Prof. Jörg Hanrieder, PhD.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Environmental Health Sciences / Environmental chemistry and toxicology