From clinical phenotype to proteinopathy: molecular neuroimaging in neurodegenerative dementias / Do fenótipo clínico à proteinopatia: a neuroimagem molecular nas demências neurodegenerativas

ABSTRACT Neurodegenerative dementias are characterized by the abnormal accumulation of misfolded proteins. However, its diagnostic criteria are still based on the clinical phenotype. The development of biomarkers allowed in vivo detection of pathophysiological processes. This article aims to make a non-systematic review of the use of molecular neuroimaging as a biomarker. Molecular neuroimaging is based on the use of radiotracers for image acquisition. The radiotracer most used in PET is 18F-fluorodeoxyglucose (FDG), with which it is possible to study the regional brain glucose metabolism. The pattern of regional hypometabolism provides neuroanatomical information on the neurodegenerative process, which, in turn, has a good specificity for each type of proteinopathy. FDG is very useful in the differential diagnosis of neurodegenerative dementias through the regional pattern of involvement, including dementia with Lewy bodies and the spectrum of frontotemporal dementia. More recently, radiotracers with specific ligands to some of the pathological proteins have been developed. Pittsburgh compound B (PIB) labeled with 11C and the ligands that use 18F (florbetapir, florbetaben and flutemetamol) are the most used radiotracers for the detection of insoluble β-amyloid peptide in Alzheimer's disease (AD). A first generation of ligands for tau protein has been developed, but it has some affinity for other non-tau protein aggregates. A second generation has the advantage of having a higher affinity for hyperphosphorylated tau protein, including in primary tauopathies.

RESUMO As demências neurodegenerativas caracterizam-se pelo acúmulo anormal de proteínas mal dobradas. Entretanto, os seus critérios diagnósticos ainda se baseiam no fenótipo clínico. O desenvolvimento de biomarcadores permitiu a detecção in vivo do processo fisiopatológico. O objetivo deste artigo é fazer uma revisão não-sistemática sobre o papel da neuroimagem molecular como biomarcador. A neuroimagem molecular baseia-se no uso de radiotraçadores para aquisição da imagem. O mais usado no PET é o 18F-fluorodeoxiglicose (FDG), com o qual é possível estudar o metabolismo regional de glicose cerebral. O padrão de hipometabolismo regional fornece uma informação neuroanatômica do processo neurodegenerativo que, por sua vez, tem uma boa especificidade para cada tipo de proteinopatia. O PET-FDG é muito útil no diagnóstico diferencial das demências neurodegenerativas através do padrão de acometimento regional, incluindo a demência com corpos de Lewy e o espectro das demências frontotemporais. Mais recentemente, radiotraçadores com ligantes específicos a algumas das proteínas patológicas têm sido desenvolvidos. O composto B de Pittsburgh (PIB) com 11C e os ligantes dos que usam 18F (florbetapir, florbetaben e flutemetamol) são os radiotraçadores mais usados para a detecção de peptídeo β-amiloide insolúvel na doença de Alzheimer (DA). Uma primeira geração de ligantes para proteína tau foi desenvolvida, mas apresenta alguma afinidade a outros agregados proteicos não-tau. Uma segunda geração tem a vantagem de apresentar uma maior afinidade à proteína tau hiperfosforilada, incluindo nas taupatias primárias.

Cerebrospinal fluid biomarkers for the differential diagnosis of Alzheimer’s disease / Aplicação de biomarcadores do fluido cerebrospinal no diagnóstico diferencial da doença de Alzheimer

ABSTRACT Introduction: Several studies have been conducted in order to validate cerebrospinal fluid biomarkers for the diagnosis of Alzheimer’s disease (AD), aiming primarily to facilitate the early diagnosis. Objective: To evaluate CSF biomarkers on patients with probable AD and the applicability of the international references values in this population. Methods: 46 individuals were recruited and classified as probable AD (n = 19), mild cognitive impairment (MCI) (n = 5) and other dementias (n = 22). The cerebrospinal fluid (CSF) biomarkers were measured using the INNOTEST kits for enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA). Higher Tau protein values and lower Aβand Innotest Amyloid Tau Index (IATI) values were observed in AD group when compared with MCI; higher levels of Tau and phosphorylated Tau (P-Tau), and lower Aβand IATI values were observed in AD group when compared to patients with other dementias. No biomarker or IATI was able to distinguish between MCI and other dementias. The kappa index between biomarkers and the clinical diagnosis was regular to Tau and IATI, and weak to Aβand P-tau. Conclusion: The cut-off values for each biomarker that showed better combined sensibility and specificity differ from the reference values suggested by the manufacturer. The CSF biomarkers represent important resources that can help with the AD diagnosis, although the results interpretation must be made based on the analysis of the three analytes together. The cut-off values must be established to address the specificities and characteristics of each population.

RESUMO Introdução: Estudos têm sido conduzidos no sentido de validar biomarcadores no liquor para o diagnóstico da doença de Alzheimer (DA), objetivando, sobretudo, facilitar o diagnóstico precoce. Objetivo: Avaliar os biomarcadores do liquor em indivíduos com provável DA, bem como a aplicabilidade dos valores de referência internacionais nesta população. Métodos: Foram recrutados 46 indivíduos, sendo classificados como provável DA (n = 19), comprometimento cognitivo leve (CCL) (n = 5) e outras demências (n = 22). Os biomarcadores foram dosados no liquor utilizando-se os kits INNOTEST por ensaio imunossorvente ligado à enzima (ELISA). Maiores valores de proteína Tau e menores valores de Aβ e índice Innotest Amiloide Tau Index (IATI) foram observados no grupo de DA quando comparados com o de CCL; maiores níveis de Tau e Tau fosforilada (Tau-P) e menores valores de Aβ e IATI foram observados no grupo de DA quando comparados com os pacientes que apresentavam outras demências. Nenhum biomarcador ou o IATI foi capaz de discernir entre CCL e outras demências. O índice kappa entre os biomarcadores e o diagnóstico clínico foi regular para a Tau e IATI, e fraco para Aβ e Tau-P. Conclusão: Os valores de cut-off para cada biomarcador que apresentou melhor sensibilidade e especificidade conjugadas diferiram dos valores de referência sugeridos pelo fabricante. Os biomarcadores do liquor representam importantes recursos que podem auxiliar no diagnóstico da DA, mas a interpretação dos resultados deve ser feita com base na análise dos três analitos em conjunto. Os valores de cut-off devem ser estabelecidos de modo a atender as especificidades e as características de cada população.

Nuevas aproximaciones para la comprensión de la enfermedad de alzheimer / New approaches to understanding alzheimer disease

La enfermedad de Alzheimer es la causa de demencia senil más común en el mundo. Los marcadores histopatológicos asociados a la enfermedad son la acumulación extracelular de los péptidos β-amiloides y la intracelular de la proteína tau hiperfosforilada. La fosforilación de la proteína tau es regulada por múltiples quinasas y fosfatasas, y del equilibrio entre éstas depende su adecuada función o su agregación. La quinasa dependiente de ciclina 5 es una de las principales quinasas implicadas en la fosforilación de la proteína tau; tiene una acción directa sobre diversos residuos y participa en la regulación de diferentes sustratos para el funcionamiento correcto de la neurona; sin embargo, en condiciones alteradas puede desencadenar la enfermedad de Alzheimer. Así mismo, alteraciones que lleven a la agregación de proteínas o fallas en las vías de degradación de éstas en la célula, como el sistemaubicuitina-proteasoma y la autofagia, pueden facilitar el desarrollo de la enfermedad. La búsqueda de estrategias terapéuticas eficaces para los pacientes con la enfermedad de Alzheimer debe intentar unificar los mecanismos patogénicos de la enfermedad desde la complejidad que representa un proceso crónico y multifactorial.

Alzheimer disease is the most common cause of dementia in the world. The major histopathologicalmarkers associated with the disease are the accumulation of extracellular amyloid β-peptides and the accumulation of intracellular hyperphosphorylated tau protein. Multiple kinases and phosphatases can regulate tau phosphorylation, and the adequate function or aggregation depends on the balance between these enzymes. Cyclin-dependent kinase 5 is one of the major kinases involved in tau phosphorylation.This kinase has a direct action by phosphorylating various residues, and participates in the regulation of a variety of substrates for proper neuron function; however, dysregulation conditions can trigger Alzheimer disease. As well, changes in the cell that leading to protein aggregation or failure in their degradation pathways, such as the ubiquitin-proteasome system and autophagy, can facilitate the development of the disease. The search of effective treatment strategies for patients with Alzheimer disease should try to unify the pathogenic mechanisms from within complexity of this chronic and multifactorial condition.

Estudo da degradação da proteína Tau hiperfosforilada por vias independentes do proteassoma, em modelo experimental de neurodegeneração / Study of hyperphosphorylated Tau protein degradation by proteasome-independent pathways, in an experimental model of neurodegeneration

O desenvolvimento das doenças neurodegenerativas, como a doença de Alzheimer, está associado à presença de agregados proteicos contendo Tau hiperfosforilada (p-Tau). Esta disfunção da Tau leva a prejuízos na homeostase celular. Um mecanismo chave para diminuir e/ou prevenir os danos promovidos pelos agregados contendo Tau seria o estímulo de sua degradação. Neste sentido, a proposta do presente estudo foi analisar a degradação da proteína Tau após aumento da expressão exógena da cochaperona Bag-2, a qual influencia o sistema proteassomal de degradação; bem como avaliar a ativação dos sistemas de degradação, a fim de correlacionar estes sistemas em cultura de células primárias e organotípica do hipocampo de ratos. Os resultados mostraram que a rotenona foi capaz de aumentar os níveis de p-Tau e que a superexpressão de Bag-2, foi eficiente em prevenir e degradar a p-Tau. O mecanismo envolvido neste processo envolve a coordenação dos sistemas proteassomal e lisossomal, já que a Rab7 e a Rab24 (envolvidas na via lisossomal) mostraram-se diminuídas na fase que antecede a agregação proteica, enquanto houve aumento da Rab24 na presença dos agregados proteicos. Com relação ao peptídeo beta amiloide, foi demonstrado tendência de aumento de p-Tau acompanhado de diminuição da atividade proteassomal e lisossomal. O tratamento com PADK (ativador lisossomal) foi capaz de reverter este efeito nestas diferentes condições. A análise da interrelação entre os sistemas mostrou que uma inibição do proteassoma favorece a via lisossomal e que o inverso não se repete. Os resultados sugerem que a modulação das vias de degradação pode ser interessante para o estudo, prevenção e tratamento das doenças neurodegenerativas associadas à agregação de proteínas...

Neurodegenerative diseases, such as Alzheimer's, are associated to protein inclusions containing hyperphosphorylated Tau (p-Tau). It is well established that Tau dysfunction impairs cell homeostasis. A key mechanism to prevent and/or reduce the damage promoted by aggregates of Tau might be its degradation. In view of this, the aims of the present study are to evaluate p- Tau clearance following exogenous expression of Bag-2, which stimulates proteasome; as well as to analyze the activation of both lysosome and proteasome pathways in order to understand the crosstalk between these two systems in primary and organotypic cultures of rat hippocampus. Results showed that rotenone was able of increasing p-Tau that was prevented and degraded by Bag-2 overexpression. Mechanisms involved in this process involve the coordination of cell degradation systems, depending upon aggregation status, since Rab7 and Rab24 (involved in lysosomal pathway) were decreased before protein aggregation, while Rab24 increased in the presence of protein inclusions. Amyloid-beta peptide also increased p-Tau accompanied by decreased proteasome and lysosome activity. PADK (lysosomal activator) treatment reverted the inhibition promoted by amyloidbeta peptide. Inhibition of proteasome leads to activation of lysosome, but lysosome inhibition does not affect proteasome. Overall, results suggest that targeting degradation pathways might be useful to understand, prevent and treat neurodegenerative diseases associated with protein deposits...

Análisis comparativo de marcadores de lesión en modelos de isquemia cerebral focal y global en ratas / Injury markers in two models of cerebral ischemia

Introducción. Los indicadores espacio-temporales de lesión son esenciales en el estudio neuropatológico y terapéutico de la isquemia cerebral. Objetivo. Optimizar la técnica de dos modelos de isquemia cerebral (focal y global) y hacer un análisis comparativo de la progresión del daño cerebral, mediante marcadores de neurodegeneración. Materiales y métodos. Se sometieron ratas Wistar a oclusión temporal de la arteria cerebral media o a oclusión de cuatro vasos, y se evaluaron comparativamente el tiempo quirúrgico, la tasa de supervivencia y la recuperación neurológica. Se utilizó trifenilo de tetrazolio para establecer la distribución del infarto y tinción con Fluoro - Jade B ® como marcador de neurodegeneración. La inmunorreacción de la astroglía se evaluó con el anticuerpo contra la proteína acídica fibrilar de la glía ( Glial Fibrillary Acidic Protein, GFAP) y el anticuerpo AT-8 contra la proteína tau hiperfosforilada, 24, 48 y 72 horas después de la isquemia. Resultados. Los modelos de isquemia utilizados requirieron menor tiempo quirúrgico y hubo menor riesgo de muerte, respecto a estudios previos. En el modelo focal, las células positivas con Fluoro - Jade B ® y los astrocitos reactivos, se evidenciaron en corteza e hipocampo a las 24 horas después de la isquemia. En el modelo global, se observó tinción Fluoro - Jade B ® positiva a las 24 horas, aumentando significativamente la reacción de la GFAP a las 72 horas en corteza y a las 48 horas en el hipocampo. La reacción contra la proteína tau hiperfosforilada aumentó progresivamente y fue máxima a las 72 horas en ambos modelos. Conclusiones. Los dos modelos de isquemia cerebral, oclusión temporal de la arteria cerebral media y oclusión de cuatro vasos, fueron optimizados. En estos modelos, los marcadores la tinción Fluoro - Jade B ® y la GFAP permitieron detectar procesos de neurodegeneración 24 horas después de la isquemia, en tanto el marcador de proteína tau hiperfosforilada (AT-8) incrementó progresivamente su reacción hasta las 72 horas, lo cual sugiere la propagación de la excitotoxicidad y la alteración de enzimas implicadas en la fosforilación de proteínas del citoesqueleto.

Introduction: Spatio-temporal indicators of injury are essential for the study of neuropathological processes and for developing therapeutic approaches for stroke. Objective: This study sought to optimize the techniques of two cerebral ischemia models (focal and global) and to comparatively evaluate the progression of brain damage by analyzing markers of neurodegeneration. Materials and methods: Wistar rats were subjected to temporary occlusion of the middle cerebral artery (t-MCAO) or four-vessel occlusion (4-VO), and surgical time, survival rate and neurological recovery were comparatively evaluated. Triphenyl tetrazolium was used to determine the distribution of the infarction, and Fluoro-Jade B was used as a marker of neurodegeneration. Astroglial immunoreactivity was assessed with an anti-glial fibrillary acidic protein (GFAP) antibody, and an anti-AT-8 antibody was used to detect hyperphosphorylated tau protein at 24, 48 and 72 hours post-ischemia. Results: The cerebral ischemia models employed (t-MCAO and 4-VO) required less surgical time and presented less of a death risk compared to those in previous studies. In the focal model, Fluoro-Jadepositive cells and reactive astrocytes were observed in the cerebral cortex and the hippocampus at 24 hours post-ischemia. In the global model, we observed Fluoro-Jade-positive cells at 24 hours, and a significant increase in the reactivity of GFAP was observed at 72 hours in the cortex and at 48 hours in the hippocampus. The immunoreactivity of hyperphosphorylated tau protein increased progressively, reaching a maximum at 72 hours post-ischemia in both models. Conclusions: These results suggest that in the t-MCAO and 4-VO ischemia models, the expression of Fluoro-Jade and GFAP indicates early neurodegeneration at 24 hours post-insult. In contrast, the immunoreactivity of the hyperphosphorylated tau protein marker (AT-8) progressively increases until 72 hours post-insult, which suggests that the progression of excitotoxicity and alteration of enzymes involves the phosphorylation of cytoskeletal proteins.

Genética de la demencia frontotemporal / Genetics of Frontotemporal Dementia

Introducción: La demencia frontotemporal (DFT) es una enfermedad neurodegenerativa, caracterizada por la atrofia circunscrita de los lóbulos frontales y temporales. Se acompaña de cambios en el comportamiento o alteraciones del lenguaje. Su inicio es insidioso, y su curso, progresivo. Objetivo: Revisar de manera general la DFT, haciendo hincapié en sus bases genéticas. Métodos: Revisión de la literatura médica actual sobre el tema. Resultados: Últimamente se han estudiado familias con herencia autosómica dominante de esta enfermedad, entre las cuales se han hallado diferentes genes causales. De estos los más importantes son el gen de la proteína asociada con los microtúbulos tau y el gen de la progranulina. Conclusión: Es necesario considerar un abordaje genético en el momento de enfrentarse a un paciente con DFT, para así indagar profundamente en los antecedentes familiares, con el fin de brindar una adecuada asesoría genética que permita aclarar las principales dudas de los pacientes y sus familias sobre este aspecto.

Introduction: Frontotemporal dementia (FTD) is a neurodegenerative disease characterized by the circumscribed atrophy of the frontal and temporal lobes along with progressive and insidious changes in behaviour and/or language impairment. Objective: To review FTD, emphasizing its genetic bases. Methods: Review of the current medical literature about the subject. Results: Families with a dominant autosomic inheritance pattern of this disease have been recently studied and different causal genes have been found, the most important being the microtubule associated protein tau gene and the progranulin gene, among others. Conclusions: It is important to consider a genetic approach in the assessment of a patient with FTD, investigating deeply into his family background. This way a proper genetic counseling can be performed thus solving the main doubts that the patient and relatives may have.

Demencia frontotemporal / Frontotemporal Dementia

Introducción: el 20% de los pacientes que mueren con demencia antes de los 70 años de edad tienen demencia frontotemporal, un síndrome amplio con tres grandes variantes clínicas: variante frontal, demencia semántica y afasia primaria progresiva. Objetivo: presentar las características demográfi cas, la genética, el diagnóstico, la patología, el tratamiento y otras variantes de la demencia frontotemporal. Método: revisión de la literatura médica existente sobre el tema. Conclusión: la mayoría de las formas familiares de demencia frontotemporal tienen una herencia autosómica dominante y se asocian con mutaciones en el gen que codifi ca la proteína tau. Los síntomas iniciales están relacionados con cambios de personalidad, alteraciones comportamentales, del afecto, el lenguaje o las funciones ejecutivas, y se requieren imágenes cerebrales y pruebas neuropsicológicas para hacer un diagnóstico acertado. No existe en la actualidad tratamiento específi co para la demencia frontotemporal, y este se basa en el control de síntomas.

Introduction: Frontotemporal dementia constitutes a signifi cant percentage of the degenerative dementias, making up for 20% of patients who die with dementia before the age of 70. It is an extensive syndrome with three clinical variants: frontal variant, semantic dementia and primary progressive aphasia. Objective: To describe the demographic characteristics, genetics, diagnosis, pathology and treatment, as well as other types of frontotemporal dementia. Method: Review of the medical literature. Conclusions: Patients with this syndrome present with behavioral and affective symptoms, language diffi culties or executive dysfunction. An imaging study of the brain should be performed, as well as neuropsychological assessment. At present, no specifi c pharmacologic therapies have been approved for use in frontotemporal dementia.