Molecular pharmacology of synthetic microneurotrophins: impact on neural myelination, oligodendrocyte function, and potential implications for Alzheimer’s disease

Abstract

Recent studies indicate that myelin destruction is a critical early event in Alzheimer's Disease (AD) and acts as an exacerbating factor in its progression. However, it remains unclear whether myelin loss is due to oligodendrocytes becoming more vulnerable, reduced repair capacity, or exposure to other toxic environmental stimuli. This dissertation spatially and temporally examined myelin destruction and the population of precursor oligodendrocytes (OPCs) in the brain of 5xFAD transgenic mice (a mouse model of AD). Οur results show that DG is the most severely affected hippocampal area in terms of amyloid levels, OPC and myelin reduction and suggest a link between decreased number of OPCs and a high load of amyloid-β. Analysis of neurotrophin receptor expression in OPCs was conducted to identify new targets that could enhance the myelination of nerve fibers. Neurotrophins constitute a family of secreted proteins, with Nerve Growth Factor (NGF) and Brain Derived Neurotrophin Factor (BDNF) being the most prominent members of this family. They regulate the development and survival of neurons, also influencing neural and synaptic function in the adult brain through specific receptors, such as TrkA for NGF and TrkB for BDNF. Numerous studies have demonstrated that the processing and expression levels of neurotrophins are dysregulated in Alzheimer's Disease (AD), contributing significantly to the pathology of the condition. Brain-derived neurotrophic factor (BDNF) is known to selectively act through the TrkB receptor, promoting axon remyelination, OPC proliferation, and differentiation. This study demonstrated that BDNF prevents OPC death and promotes their proliferation and differentiation after exposure to the toxic form of Amyloid-β 1-42 in vitro. However, natural neurotrophins have short half-lives, difficulty crossing the blood-brain barrier, and low pharmacokinetic profiles. In this context, our laboratory identified in previous studies the molecules BNN27 and BNN20, two small derivatives of DHEA that interact with the TrkA, TrkB, and p75 receptors, exhibiting similarities to certain actions of NGF or BDNF, such as the protection of specific neuronal populations from degeneration. The present study highlighted the ability of BNN27 to promote the proliferation of OPCs as well as the differentiation of neural stem cells (NSCs) into OPCs under physiological and neurodegenerative conditions in vitro. Such molecules demonstrate significant potential as therapeutic agents against neurodegenerative diseases, as they can selectively mimic specific beneficial neurotrophic actions, thereby avoiding undesirable side effects. In our research effort, we focused on developing new synthetic analogs of BDNF, initially evaluating the properties of 40 newly synthesized small molecules. Some of these new compounds exhibited neuroprotective effects under stress conditions through the selective activation of the TrkB receptor. Further investigation of the most effective molecules revealed the capacity of one of them, TC509, to promote the differentiation of neural stem cells into oligodendrocyte precursor cells (OPCs) both in the presence and absence of amyloid-β. Micro-neurotrophin TC509 also appeared to induce the maturation of OPCs into mature oligodendrocytes under both physiological and neurodegenerative conditions. Additionally, administration of TC509 to OPCs in the presence of amyloid-β succeeded in protecting them from cell death. The neuroprotective action of this molecule was corroborated by its ability to rescue human neural stem cells from death under neurodegenerative conditions. Consequently, this study revealed a new compound, micro-neurotrophin TC509, which exhibited anti-apoptotic effects and selectively promoted the differentiation and maturation of OPCs into mature oligodendrocytes through the TrkB receptor. In conclusion, this dissertation characterizes spatial and temporal myelin destruction and OPC loss in the brain under Alzheimer's conditions in vivo. It highlights the protective role of BDNF under neurodegenerative conditions in vitro and proposes a newly synthesized small molecule that promotes the survival and remyelination of nerve cells as a novel complementary therapeutic approach for the disease and a potential therapeutic strategy for various demyelinating disorders.

Η νόσος Αλτσχάιμερ (NA) είναι μια καταστροφική νευροεκφυλιστική διαταραχή, η οποία πλήττει σήμερα περισσότερα από 50 εκατομμύρια άτομα παγκοσμίως. Κλινικά, η νόσος χαρακτηρίζεται από σοβαρή απώλεια μνήμης και γνωστική εξασθένιση που έχει ως αποτέλεσμα οι ασθενείς να αντιμετωπίζουν δυσκολίες στην εκτέλεση απλών καθημερινών εργασιών. Παθολογικά, τα χαρακτηριστικά γνωρίσματα της νόσου περιλαμβάνουν την εναπόθεση πλακών αμυλοειδούς-β εξωκυτταρικά και την παρουσία υπερφωσφορυλιωμένων νευροϊνιδιακών δεσμών tau ενδοκυτταρικά. Πρόσφατες μελέτες υποδεικνύουν ότι η καταστροφή της μυελίνης αποτελεί κρίσιμο πρώιμο συμβάν στη Νόσο του Αλτζχάιμερ και δρα ως επιδεινωτικός παράγοντας στην εξέλιξή της. Ωστόσο, εξακολουθεί να είναι ασαφές εάν η απώλεια μυελίνης οφείλεται στο γεγονός ότι τα ολιγοδενδροκύτταρα γίνονται πιο ευπαθή ή στην μειωμένη ικανότητα επιδιόρθωσης τους ή και σε άλλα τοξικά περιβαλλοντικά ερεθίσματα. Στην παρούσα διατριβή μελετήθηκε χωρικά και χρονικά η καταστροφή της μυελίνης καθώς και του πληθυσμού των πρόδρομων ολιγοδενδροκυτάρων (OPCs) στον εγκέφαλο επίμυων 5xFAD (ζωϊκό μοντέλο της ΝΑ). Φάνηκε ότι η μείωση των επιπέδων μυελίνωσης ξεκινά στους 6 μήνες στην περιοχή της οδοντωτής έλικας του ιπποκάμπου στον εγκέφαλο των επίμυων 5xFAD, ενώ στους δώδεκα μήνες η μείωση αυτή γίνεται εμφανής σε όλες τις περιοχές του ιπποκάμπου. Εξαιρετικά ενδιαφέρον εύρημα της παρούσας μελέτης αποτέλεσε η παρατήρηση της μείωσης του αριθμού των πρόδρομων ολιγοδενδροκυττάρων στην οδοντωτή έλικα του ιπποκάμπου στον εγκέφαλο των επίμυων 5xFAD έξι μηνών γεγονός που συνάδει με την ταυτόχρονη αύξηση των πλακών αμυλοειδούς στη συγκεκριμένη υποπεριοχή του εγκεφάλου των ζωών αυτών. Στους δώδεκα μήνες ζωής των ζώων 5xFAD η μείωση του πληθυσμού των OPCs εξαπλώθηκε σε όλες τις υποπεριοχές του ιπποκάμπου, ενώ παράλληλα παρουσιαστηκε αυξημένη συσσώρευση των πλακών αμυλοειδούς. Συνολικά, τα αποτελέσματά μας έδειξαν ότι ο η οδοντωτή έλικα του ιπποκάμπου (DG) είναι η περιοχή που επηρεάζεται περισσότερο όσον αφορά τα επίπεδα αμυλοειδούς, τη μείωση των OPC και της μυελίνης υποδηλώνοντας μια σύνδεση μεταξύ της μειωμένης ποσότητας των OPC και του υψηλού φορτίου αμυλοειδούς-β. Επιπρόσθετα, πραγματοποιήθηκε in vivo ανάλυση έκφρασης των υποδοχέων νευροτροφινών στα OPCs στις τρεις περιοχές του ιπποκάμπου τόσο αγρίου τύπου όσο και επίμυων 5xFAD έξι μηνών για τον εντοπισμό νέων στόχων που θα μπορούσαν να αυξήσουν τη μυελίνωση των νευρικών αξόνων. Οι νευροτροφίνες είναι μια οικογένεια εκκρινόμενων πρωτεϊνών, με τον Nerve Growth Factor (NGF) και τον Brain Derived Neurotrophin Factor (BDNF) ως τα πιο γνωστά μέλη της οικογένειας. Ρυθμίζουν την ανάπτυξη και επιβίωση των νευρώνων, επηρεάζοντας επίσης τη νευρωνική και συναπτική λειτουργία στον ενήλικο εγκέφαλο μέσω ειδικών υποδοχέων, όπως ο TrkA για τον NGF και ο TrkB για τον BDNF. Επιπλέον, όλες οι νευροτροφίνες ενεργοποιούν τον παν-νευροτροφινικό υποδοχέα p75, αν και με χαμηλότερη συγγένεια. Πολλές μελέτες έχουν δείξει ότι τα επίπεδα επεξεργασίας και έκφρασης των νευροτροφινών απορρυθμίζονται στη ΝΑ και αυτό έχει θεωρηθεί ότι συμβάλλει σημαντικά στην παθολογία της νόσου. Η φυσική νευροτροφίνη BDNF (Brain-derived neurotrophic factor) είναι γνωστό ότι δρα εκλεκτικά μέσω του υποδοχέα TrkB προωθώντας την επαναμυελίνωση των αξόνων, τον πολλαπλασιασμό και τη διαφοροποίηση των OPCs. Στην παρούσα μελέτη δείχτηκε ότι η νευροτροφίνη BDNF εμποδίζει τον θάνατο των OPCs και προάγει τον πολλαπλασιασμό και τη διαφοροποίησή τους κατόπιν έκθεσής τους στην τοξική μορφή του Αμυλοειδούς-β (Amyloid-β) 1-42 in vitro. Ωστόσο, οι φυσικές νευροτροφίνες χαρακτηρίζονται από σύντομο χρόνο ημιζωής, αδυναμία προσπέλασης του αιματοεγκεφαλικού φραγμού και χαμηλό φαρμακοκινητικό προφίλ. Στο πλαίσιο αυτό, το εργαστήριο μας εντόπισε σε προηγούμενες μελέτες τα μόρια BNN27 και BNN20, δύο μικρά μόρια παράγωγα της DHEA που αλληλεπιδρούν με τους υποδοχείς TrkA, TrkB και p75, παρουσιάζοντας ομοιότητες με ορισμένες ενέργειες του NGF ή του BDNF, όπως η προστασία συγκεκριμένων νευρωνικών πληθυσμών από την απόπτωση. Η παρούσα μελέτη ανέδειξε την ικανότητα του BNN27 να προωθεί τον πολλαπλασιασμό των OPCs καθώς και τη διαφοροποίηση των νευρικών βλαστικών κυττάρων (NSCs) σε OPCs σε φυσιολογικές και σε νευροεκφυλιστικές συνθήκες in vitro. Τέτοια μόρια παρουσιάζουν μεγάλες δυνατότητες ως θεραπευτικοί παράγοντες κατά των νευροεκφυλιστικών ασθενειών, καθώς μπορούν να μιμηθούν επιλεκτικά μόνο συγκεκριμένες, ευεργετικές νευροτροφικές δράσεις, αποφεύγοντας τις ανεπιθύμητες παρενέργειες. Σε μεγάλο μέρος της παρούσας διατριβής εστιάσαμε στην ανάπτυξη νέων συνθετικών αναλόγων του BDNF λόγω του γνωστού κρίσιμου ρόλου του στην διαδικασία της επαναμυελίνωση των νευρικών αξόνων και στην νευρική πλαστικότητα. Αρχικά ελέξγαμε τις ιδιότητες 40 νεοσυντιθέμενων μικρομοριακών ενώσεων. Κάποιες από τις νέες αυτές ενώσεις παρουσίασαν αντιαποπτωτική δράση σε συνθήκες στρες μέσω της εκλεκτικής ενεργοποίησης του TrkB υποδοχέα. Περαιτέρω μελέτη των πιο αποτελεσματικών μορίων ανέδειξε την ικανότητά ενός απο αυτά, του TC509, να προωθεί την διαφοροποίηση των νευρικών βλαστικών κυττάρων σε πρόδρομα ολιγοδενδροκύτταρα τόσο παρουσία όσο και απουσία αμυλοειδούς. Η μικρονευροτροφίνη ΤC509 φάνηκε να προωθεί επίσης την ωρίμαση των πρόδρομων ολιγοδενδροκυττάρων σε ανώριμα ολιγοδενδροκύτταρα είτε υπο φυσιολογικές είτε υπο νευροεκφυλιστικές συνθήκες. Επιπρόσθετα, η χορήγηση του μορίου TC509 σε πρόδρομα ολιγοδενδροκύτταρα παρουσία αμυλοειδούς κατάφερε να τα προστατέψει από το θάνατο. Η αντιαποπτωτική δράση του μορίου αυτού επαληθεύτηκε και από την ικανότητά του να σώσει ανθρώπινα νευρικά βλαστικά κύτταρα από το θάνατο κάτω από νευροεκφυλιστικές συνθήκες. Συνεπώς, από την μελέτη αυτή αναδείχθηκε μια νέα ένωση, η μικρονευροτροφίνη TC509, που φάνηκε να έχει αντι-αποπτωτική δράση και να προωθεί την διαφοροποίηση και την ωρίμανση των OPCs σε ώριμα ολιγοδενδροκύτταρα δρώντας εκλεκτικά μέσω του υποδοχέα TrkB. Συμπερασματικά, η παρούσα διατριβή χαρακτηρίζει χωρικά και χρονικά την καταστροφή της μυελίνης και την απώλεια πρόδρομων ολιγοδενδροκυττάρων στον εγκέφαλο σε συνθήκες Αλτχάιμερ in vivo, υπογραμμίζει τον προστατευτικό ρόλο της νευροτροφίνης BDNF υπό συνθήκες νευροεκφύλισης in vitro και προτείνει μια νεοσυντιθέμενη μικρομοριακή ένωση, την TC509, που προωθεί την επιβίωση και την επαναμυελίνωση των νευρικών κυττάρων ως μια νεα συμπληρωματική θεραπευτική προσέγγιση της νόσου Αλτχάιμερ αλλά και ως πιθανή θεραπευτική προσέγγιση σε πληθώρα απομυελινωτικών διαταραχών.