Modelling of interaction between biomarkers in neurodegenerative diseases and nutrients

Abstract

This current thesis is based on Bioinformatics and the use of computational tools to incorporate the nutrition data into proteomics and lipidomics research related to progression of Alzheimer’s disease (AD).Secondly, computational tools allow us to verify and better understanding the action of novel food molecules as promoters of medicinal activity. Initially, we overviewed AD epidemiology, symptoms, stages, risk factors and pathophysiological mechanisms. In the same chapter, data were collected from literature to investigate how nutrients are associated with Alzheimer’s disease. Proteomic and lipidomic analysis revealed a significantly different expression of several proteins and lipids between AD,Mild cognitively impairment (MCI) and cognitively normal subjects.We then identified nutrients that potentially alter the proteomic and lipidomic profile as indicated from in vitro, animal and human studies. Dietary polyphenols reduced the expression of Amyloid precursor protein (APP) and the beta-secretase enzyme (BACE1).They also downregulated biomarker level of oxidation and neuroinflammation. The two main types of omega-3 fatty acids, the Docosahexaenoic acid (DHA) and the Eicosapentaenoic acid (EPA) as well as the ketones restored the neuroprotectin D1 levels and the sirt protein levels respectively.Opposed to these effects, saturated fat (palmitate) further increased the BACE1,the ApoB-100cand the biomarkers of inflammation.In the aspect of the research the neuroprotective effects of polyphenols were displayed. Numerous polyphenolic compounds, maily flavonoids acted as amyloid β and AchE inhibitors with significant antioxidant and anti-inflammatory actions.The majority of the flavonoids examined had the capacity to promote the autophagy process and restore mitochondrial dysfunction.With the aid of toxicity prediction models, toxicological end points of certain polyphenols were revealed through access on median lethal dose in rats and on toxicology classification of these molecules. In silico molecular docking data from literature review were introduced. Studies verified interactions between polyphenols and n-3 fatty acids with the active site of protein targets AChE, BuChE, GSK3B, Bace-1. Bioinformatics analysis of target structures helps medicinal chemists to assess the efficacy of nutrients to act as the potential leads for anti-AD therapy.Advanced softwares have been applied such as Swiss ADME web tool, the egan-BOILED EGG predictive model, the SwissTarget prediction software, the ProTox and the admet-SAR software. Among molecules tested, some flavonoids, melatonin, DHA and β-hydroxubutyrate presented no toxicity risk and high druglike nature with respect to ADMET properties and QSAR analysis.Then, a six- month personalized nutrition intervention was analysed and the results obtained were interpreted based on nutritional status, metabolic profile and metal bioaccumulation of an AD subject. Finally, the main findings of the research were summarized and future directions have been proposed.

H έρευνα της διδακτορικής διατριβής στηρίχτηκε σε εργαλεία Βιοπληροφορικής με την βοήθεια των οποίων, διατροφικά στοιχεία ενσωματώθηκαν στην έρευνα omics σχετιζόμενη με τη νόσο Αlzheimer. Επίσης, μέσω τεχνολογιών βασιζόμενων σε υπολογιστές, μελετάται και τεκμηριώνεται η δράση των διατροφικών στοιχείων ως ενισχυτές της δράσης των φαρμάκων.Aρχικά, γίνεται σύντομη περιγραφή της νόσου Αlzheimer παραθέτοντας τα στάδια, τα επιδημιολογικά στοιχεία, τους παράγοντες κινδύνους και τους παθολογικούς μηχανισμούς της νόσου.Έπειτα παρουσιάζεται μία σύντομη ανασκόπηση αναφορικά με την συσχέτιση θρεπτικών ουσιών με τη νόσο Αlzheimer.Όπως προκύπτει από επιδημιολογικές μελέτες και κλινικές δοκιμές διατροφικά στοιχεία δρουν νευροπροστατευτικά ή μπορούν να επιταχύνουν την διαδικασία της εξελιγκτικής πορείας της νόσου. Κατόπιν, η έρευνα αναφέρεται στις μεταβολικές καταστάσεις που συνδέονται και ενδεχομένως συνυπάρχουν με τη νόσο Αlzheimer, δίνοντας έμφαση σε παθολογικές καταστάσεις όπως η παχυσαρκία, η υποθρεψία, η σαρκοπενική παχυσαρκία και η υπερομοκυστεϊναιμία.Πρωτεομικοί και λιπιδομικοί βιοδείκτες στο αίμα αναζητήθηκαν μέσω της δημόσιας βάσης δεδομένων για τη νόσο Αlzheimer(The Alzheimer's Disease Neuroimaging Initiative) και μέσω ψηφιακών βιβλιοθηκών. Παρουσιάζονται βιοδείκτες πρωτεινών που διαφοροποιούνται μεταξύ υγιών ατόμων και ατόμων με Ήπια Γνωστική Διαταραχή και νόσο AD. Η χρήση μη επεμβατικών βιοδεικτών μέσω αιματολογικών εξετάσων μπορεί να συντελέσει στην έγκαιρη διάγνωση της νόσου.Ως προς την καινοτομία της έρευνας, είναι η πρώτη μελέτη που έχει σκοπό να εντοπίσει διατροφικά στοιχεία που επιδρούν σε υπολογιστικούς βιοδείκτες στο πλάσμα αίματος των πασχόντων με Hπια γνωστική δυσλειτουργία ή εγκατεστειμένο Αlzheimer. Προηγούμενες βιβλιογραφικές αναφορές στηρίζονται σε μελέτες αυτοψίας και σε απεικονιστικούς βιοδείκτες μέσω χρήσης εργαλειών απεικόνισης MRI,PET και μέσω νευροψυχολογικών διαγνωστικών εργαλειών. Η διακύμανση επιλεγμένων βιοδεικτών στο αίμα, μέσω «ομικών» τεχνολογιών, μπορεί να συντελέσει στην εφαρμογή εξατομικευμένης διατροφικής παρεμβάσης. Στην έρευνα, δίνεται έμφαση σε βιοδείκτες οξειδωτικού στρες και φλεγμονής αλλά και σε λιπιδομικούς βιοδείκτες (σφιγγολιπίδια, κεραμίδια, μεταβολίτες των ω-3 λιπαρών οξέων) που η έκφρασή τους τροποποιείται στα στάδια της νόσου.Στη συνέχεια, μελετήθηκαν διατροφικά στοιχεία που δύναται να τροποποιούν το προφίλ των υπολογιστικών βιοδεικτών.Ο εντοπισμός θρεπτικών ουσιών με μία τετοια προοπτική, αποτελεί επιστημονική πρόκληση στο πεδίο της Επιστήμης της διατροφής. Διατροφικά πολυφαινολικά μόρια επέφεραν μείωση στα αυξημένα επίπεδα βιοδεικτών που αντικατατοπτρίζουν φλεγμονή, οξείδωση και εναπάθεση του αμυλοειδούς.Διαιτητικά λιπίδια (ω-3 λιπαρά οξέα και μεταβολίτες αυτών) καθώς και τριγλυκερίδια μέσης αλύσου ρυθμίζουν τα επίπεδα των πρωτεινών SIRT που δρουν προστατευτικά για τους νευρώνες. Αντιθέτως,το κορεσμένο λίπος επιτείνει την ήδη αυξημένη έκφραση των κεραμιδίων,της γ-σεκρετάσης και των βιοδεικτών φλεγμονής στη νόσο Αlzheimer.Κατά την διάρκεια της έρευνας, μελετήθηκαν πολλαπλές νευροπροστατευτικές δράσεις των πολυφαινολών και με τη βοήθεια προγνωστικών μοντέλων, πραγματοποιήθηκε πρόβλεψη της τοξική τους δράσης. Προσβάσιμα δεδομένα βασίζονται σε φυσικοχημικές και φαρμακοκινητικές ιδιότητες (απορρόφηση, κατανομή, μεταβολισμός και απέκκριση) καθώς και σε invitro και invivo ανάλυση και μέσω χρήσης αλγορίθμων γνωστοποιούν την πιθανότητα τοξικής βλάβης σε διάφορους ιστούς και όργανα.Μέσω ανασκόπησης, μελετάται η ενισχυτική δράση διατροφικών μοριών στα ήδη υπάρχοντα φάρμακα. Η προσομοίωση μοριακής δυναμικής και η υπολογιστική (in silico) μοριακή αγκυροβόληση (docking) βοηθά στην κατανόηση της δράσης τους. Συγκεκριμένα, τεκμηριώνεται με αυτό τον τρόπο, η αλληλεπίδραση των θρεπτικών ουσιών στο ενεργό σημείο, ώστε να επιτευχθεί ανάδραση των ενζύμων ΑChe, Base-1 και GSK-3β που εμπλέκονται στον μηχανισμό της παθογένειας της νόσου.Έπειτα μελετήθηκε η εκτίμηση του ενεργειακού δεσμού που καθορίζει την ισχυρότητα των δεσμών και την σταθερότητα του συμπλόκου που προκύπτει.Επιπροσθέτως, προηγμένα εργαλεία Πληροφορικής εφαρμόζονται επιτρέποντας ταχύτατη αξιολόγηση και βέλτιστη επιλογή νέων διατροφικών μορίων υπό διερεύνηση, σε ερευνητικό και κατόπιν σε προ-κλινικό στάδιο. Μέσω προγνωστικών μοντέλων Swiss ADME, egan-BOILED EGG, SwissTarget , ProTox, admet-SAR, συγκεκριμένα φλαβονοειδή, το DHA, η μελατονίνη, το β-υδροξυβουτυρικό οξύ διευρευνήθηκαν για την αποτελεσματικότητα τους,την ικανότητα διαπέρασης του αιματοεγκεφαλικού φραγμού και έπειτα αξιολογήθηκαν ως προς την τοξικότητά τους, δίνοντας ελπιδοφόρα αποτελέσματα.Eπίσης για τα βιονεργά αυτά μόρια μέσω μοντέλων πρόβλεψης, δόθηκαν οι πιο πιθανοί φαρμακολογικοί στόχοι.Ολοκληρώνοντας την έρευνα, εφαρμόστηκε 6μηνη προσωποποιημένη διατροφική παρέμβαση σε άτομο με νόσο Αlzheimer, με βάση την διατροφική κατάσταση και το μεταβολικό προφίλ του και κατόπιν τα αποτελέσματα αναλύθηκαν.Έπειτα πραγματοποιήθηκε κριτική αξιολόγηση στις διάφορες ενότητες της διδακτορικής διατριβής, αναφέροντας τα δυνατά σημεία και τα σφάλματα που προέκυψαν.Τέλος, συνοψίζονται τα κύρια ευρήματα και προτείνονται τρόποι για την μελλοντική αξιοποίησή τους.