Oxidative stress during aging and in Alzheimer's disease : a comparative study of oxidative damage and antioxidant enzymatic activities in mouse models and human brain tissue

Oxidativer Stress im Alter und bei der Alzheimer Krankheit : eine vergleichende Studie über oxidative Schäden und antioxidative Enzymaktivitäten in Mausmodellen und humanem Gehirngewebe

The hypothesis that oxidative stress plays a role in the pathogenesis of Alzheimer’s disease (AD) was tested by studying oxidative damage, acitvities of antioxidant enzymes and levels of reactive oxygen species (ROS) in 
The hypothesis that oxidative stress plays a role in the pathogenesis of Alzheimer’s disease (AD) was tested by studying oxidative damage, acitvities of antioxidant enzymes and levels of reactive oxygen species (ROS) in several models. To this end, mouse models transgenic for mutant presenilin (PS1M146L) as well as mutant amyloid precursor protein (APP) and human post mortem brain tissue from sporadic AD patients and age-matched controls were studied. Aging leads to an upregulation of antioxidant enzyme activities of Cu/Zn-superoxide dismutase (Cu/Zn-SOD), glutathione peroxidase (GPx) and glutathione reductase (GR) in brains from C57BL/6J mice. Simultaneously, levels of lipid peroxidation products malondialdehyde MDA and 4-hydroxynonenal HNE were reduced. Additionally, pronounced gender effects were observed, as female mice display better protection against oxidative damage due to higher activity of GPx. Hence, antioxidant enzymes provide an important contribution to the protection against oxidative damage. In PS1M146L transgenic mice oxidative damage was only detectable in 19-22 months old mice, arguing for an additive effect of aging and the PS1 mutation. Both HNE levels in brain tissue as well as mitochondrial and cytosolic levels of ROS in splenic lymphocytes were increased in PS1M146L mice. Antioxidant defences were unaltered. In PDGF-APP and PDGF-APP/PS1 trangenic mice no changes in any of the parameters studied were observed in any age group. In contrast, Thy1-APP transgenic mice display oxidative damage as assessed by increased HNE levels. Reduced activity of Cu/Zn-SOD may explain this observation. Additionally, gender modified this effect, as female APP transgenic mice display higher b-secretase cleavage of APP and simultaneously increased HNE levels and reduced Cu/Zn-SOD activity earlier than male mice, i.e. from an age of 3 months and before the formation of Ab plaques. Reduced Cu/Zn-SOD activity was also found in another APP transgenic mouse model, in APP23 mice. In post mortem brain tissue from sporadic AD patients activities of Cu/Zn-SOD and GPx were however increased, and changes were most pronounced in temporal cortex. Simultaneously, levels of HNE but not MDA were elevated. Additionally, in vitro stimulation of lipid peroxidation led to increased MDA formation in samples from AD patients, indicating that increased activity of Cu/Zn-SOD and GPx are insufficient to protect against oxidative damage. Furthermore, the observed changes were subject to a gender effect, as samples from female AD patients showed increased activities of Cu/Zn-SOD and GPx as well as increased HNE levels, indicating that brain tissue from females is more sensitive towards oxidative damage. Levels of soluble Ab1-40 were positively correlated with with MDA levels and activities of Cu/Zn-SOD and GPx. Additionally, levels of lipid peroxidation products MDA and HNE are gene-dose-dependently modulated by the Apolipoprotein E4 allele, the most important genetic risk factor for AD known so far. While MDA levels were negatively correlated with MMSE scores, a measure for cognitive function, HNE levels were highest in AD patients with moderate cognitive impairment. Hence, increased HNE levels may play an important role in neurodegenerative events at an early disease stage. In summary, oxidative damage, as assessed by increased HNE levels, could be detected in sporadic AD patients and in different transgenic mouse models. The results of this thesis therefore support the further research of pharmacological targets aiming at augmentation of antioxidant defences for therapy or prophylaxis of Alzheimer’s disease.
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Um die Hypothese zu prüfen, dass oxidativer Stress an der Pathogenese der Alzheimer Demenz beteiligt ist, wurden im Rahmen dieser Arbeit oxidative Schäden, Aktivitäten von antioxidativen Enzymaktivitäten und Spiegel an r
Um die Hypothese zu prüfen, dass oxidativer Stress an der Pathogenese der Alzheimer Demenz beteiligt ist, wurden im Rahmen dieser Arbeit oxidative Schäden, Aktivitäten von antioxidativen Enzymaktivitäten und Spiegel an reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) in verschiedenen Modellen vergleichend untersucht. Als Modelle dienten transgene Mäuse mit Mutationen im Präsenilin (PS1M146L) oder im Amyloidvorläuferprotein (APP) sowie post mortem Gehirngewebeproben von sporadischen Alzheimerpatienten und gleichaltrigen Kontrollen. Der Alterungsprozess, der wichtigste Risikofaktor für die Entstehung der Alzheimer Demenz, führt im Gehirngewebe von C57BL/6J Mäusen zu erhöhten Aktivitäten der Enzyme Cu/Zn-Superoxiddismutase (Cu/Zn-SOD), Glutathionperoxidase (GPx) und Glutathionreduktase (GR), während gleichzeitig die Spiegel an Lipidperoxidationsprodukten Malondialdehyd (MDA) und 4-Hydroxynonenal (HNE) reduziert waren. Außerdem wurden deutliche Geschlechtsunterschiede beobachtet, da weibliche Mäuse aufgrund erhöhter GPx-Aktivität besser gegen oxidative Schäden geschützt sind. Somit leisten antioxidative Enzyme einen wichtigen Beitrag zum Schutz gegen oxidative Schäden beim physiologischen Alterungsprozess. In PS1M146L-transgenen Mäusen wurden erhöhte oxidative Schäden nur in 19-22 Monate alten Tieren gefunden, was für einen additiven Effekt des Alterns und der PS1 Mutation spricht. Sowohl HNE-Spiegel im Gehirngewebe als auch mitochondriale und cytosolische ROS-Spiegel in Milzlymphozyten, die das transgene Protein exprimieren, waren in alten PS1M146L Mäusen erhöht. Die antioxidative Abwehr war dabei unverändert. In PDGF-APP und doppelt transgenen PDGF-APP/PS1 Mäusen, die geringe b-Sekretasespaltung von APP zeigen, wurden in keiner Altersgruppe (3-4 Monate, 13-15 Monate, 19-22 Monate) Veränderungen in irgendeinem der untersuchten Parameter festgestellt, trotz der in der Literatur beschriebenen Bildung von Ab-Plaques in PDGF-APP/PS1 Mäusen ab einem Alter von 6 Monaten. Im Gegensatz dazu zeigten Thy1-APP transgene Mäuse oxidative Schäden, gemessen als erhöhte HNE-Spiegel. Ursächlich kann dafür eine erniedrigte Aktivität des Enzyms Cu/Zn-SOD verantwortlich sein. Zudem konnten Geschlechtsunterschiede beobachtet werden: weibliche transgene Tiere zeigen erhöhte b-Sekretasespaltung von APP, ebenso konnten erhöhte HNE-Spiegel und erniedrigte Cu/Zn-SOD-Aktivität in weiblichen Tieren früher als in männlichen Tieren, nämlich schon in einem Alter von 3 Monaten und somit vor der Bildung von Ab Plaques, gemessen werden. Auch in einem weiteren APP-transgenen Mausmodell, APP23 Mäusen, konnte erniedrigte Cu/Zn-SOD-Aktivität gemessen werden, so dass hohe b-Sekretasespaltung von APP in transgenen Mäusen durch verringerte Cu/Zn-SOD-Aktivität zur Akkumulation von ROS und oxidativen Schäden führen kann. In post mortem Gehirngewebeproben von sporadischen Alzheimerpatienten zeigten sich dagegen erhöhte Enzymaktivitäten von Cu/Zn-SOD und GPx, wobei die Veränderungen im temporalen Cortex am deutlichsten waren. Begleitend wurden höhere Spiegel von HNE, nicht jedoch von MDA, gefunden. Außerdem führte die in vitro Stimulation der MDA-Bildung zu erhöhten Werten in Proben von Alzheimerpatienten, so dass die erhöhten Enzymaktivitäten von Cu/Zn-SOD und GPx nicht ausreichend gegen oxidative Schädigung schützen. Außerdem wurden die beobachteten Veränderungen durch das Geschlecht beeinflusst, da weibliche Alzheimerpatienten höhere Enzymaktivitäten von Cu/Zn-SOD und GPx sowie erhöhte HNE-Spiegel aufweisen, was darauf hinweist, dass Gehirngewebe von weiblichen Patienten empfindlicher gegenüber oxidativen Schäden ist. Spiegel an löslichem Ab1-40 waren positiv mit MDA-Spiegeln und Aktivitäten von Cu/Zn-SOD und GPx korreliert. Außerdem werden Lipidperoxidationsprodukte MDA und HNE durch Apo E4, dem wichtigsten bisher bekannten genetischen Risikofaktor für die sporadische Alzheimer Demenz, gendosisabhängig moduliert. Die MDA-Spiegel waren negativ mit den MMSE-Werten, einem Maß für kognitive Beeinträchtigung, korreliert. HNE-Spiegel waren dagegen am höchsten in Alzheimerpatienten mit relativ moderater kognitiver Beeinträchtigung. Daher spielen erhöhte HNE-Spiegel eventuell eine wichtige Rolle bei der Neurodegeneration zu einem frühen Zeitpunkt der Alzheimer Krankheit. Insgesamt konnten oxidative Schäden, gemessen als erhöhte HNE-Spiegel, in sporadischen Alzheimerpatienten und in verschiedenen transgenen Mausmodellen nachgewiesen werden. Daher unterstützen die im Rahmen dieser Doktorarbeit erhobenen Befunde die weitere Erforschung pharmakologischer Ansätze zur Verbesserung der antioxidativen Abwehr als Therapie oder zur Prophylaxe der Alzheimer Krankheit.
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Metadaten
Author:Katrin Schüssel
URN:urn:nbn:de:hebis:30-0000006120
Referee:Walter E. Müller
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2005/04/04
Year of first Publication:2004
Publishing Institution:Univ.-Bibliothek Frankfurt am Main
Granting Institution:Johann Wolfgang Goethe-Univ.
Date of final exam:2004/12/20
Release Date:2005/04/04
Tag:Gender ; Superoxiddismutase
Alzheimer ; aging ; dementia; gender; oxidative
SWD-Keyword:Altern ; Alzheimer-Krankheit ; Amyloid <beta->; Apolipoprotein E ; Enzymaktivität ; Lipidperoxidation ; Oxidativer Stress ; Preseniline
HeBIS PPN:127704973
Institutes:Pharmazie
Dewey Decimal Classification:540 Chemie und zugeordnete Wissenschaften
Sammlungen:Universitätspublikationen
Licence (German):License Logo Veröffentlichungsvertrag für Publikationen

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