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Hyperhomocysteinemia has been suggested potentially to contribute to a variety of pathologies, such as Alzheimer’s disease (AD). While the impact of hyperhomocysteinemia on AD has been investigated extensively, there are scarce data on the effect of AD on hyperhomocysteinemia. The aim of this in vivo study was to investigate the kinetics of homocysteine (HCys) and homocysteic acid (HCA) and effects of AD-like pathology on the endogenous levels. The mice received a B-vitamin deficient diet for eight weeks, followed by the return to a balanced control diet for another eight weeks. Serum, urine, and brain tissues of AppNL-G-F knock-in and C57BL/6J wild type mice were analyzed for HCys and HCA using LC-MS/MS methods. Hyperhomocysteinemic levels were found in wild type and knock-in mice due to the consumption of the deficient diet for eight weeks, followed by a rapid normalization of the levels after the return to control chow. Hyperhomocysteinemic AppNL-G-F mice had significantly higher HCys in all matrices, but not HCA, compared to wild type control. Higher serum concentrations were associated with elevated levels in both the brain and in urine. Our findings confirm a significant impact of AD-like pathology on hyperhomocysteinemia in the AppNL-G-F mouse model. The immediate normalization of HCys and HCA after the supply of B-vitamins strengthens the idea of a B-vitamin intervention as a potentially preventive treatment option for HCys-related disorders such as AD.

Kurz zusammengefasst waren die Ziele dieser Arbeit, die in vivo Untersuchung einer Hyperhomocysteinämie und spezifischer diätetischer Mikronährstoffe im Kontext der Alzheimer-Erkrankung. Zu diesem Zweck wurden zwei Krankheitsmodelle in den Mäusen induziert. Zum einen wurde eine Alzheimer-ähnliche Pathologie genetisch simuliert durch den Einsatz des neuen AppNL-G-F knock-in Modells, das im Zuge dieser Arbeit auch weiter charakterisiert wurde. Zum anderen wurde eine chronische Hyperhomocysteinämie in den Tieren induziert via Langzeit-Fütterung einer Spezialdiät, die defizient an den Vitaminen B6, B12 und Folat war, was sich durch erhöhte Werte der Aminosäuren Homocystein und Homocysteinsäure in verschiedenen biologischen Matrices der Mäuse wie Serum, Urin und Hirngewebe, bemerkbar machte. Durch die Kombination der Krankheitsmodelle wurden sowohl Aspekte einer familiären Alzheimer-Erkrankung (verstärkter Amyloid-β-Anabolismus im knock-in Modell) als auch ein potentielles Charakteristikum der sporadischen Form der Krankheit (erhöhte Homocystein-Spiegel) simuliert. Auswirkungen des AppNL-G-F Genotyps, einer zusätzlichen Hyperhomocysteinämie und potentiell vorteilhafter, oder gar präventiv wirksamer Mikronährstoffe wurden dabei mit Hilfe von diversen Verhaltensversuchen und ergänzenden ex vivo Analysen bewertet. Trotz massiver cerebraler Amyloidose war lediglich ein milder Einfluss auf die kognitive Leistungsfähigkeit der AppNL-G-F Tiere im Vergleich zur gleichaltrigen Wildtyp-Kontrolle detektierbar. Dies weist zum einen auf die Subtilität des Mausmodells hin und zum anderen befeuert es die kontroverse, häufig geführte Diskussion um die zentrale Bedeutung der „Amyloid-Hypothese“ im Rahmen der komplexen Alzheimer-Pathologie. Die kognitiven Fähigkeiten der entsprechenden Mäuse verschlechterten sich auch nicht bei gleichzeitig signifikant erhöhten Homocystein- und Homocysteinsäurespiegeln, d.h. die Hyperhomocysteinämie hat in diesem Modell für familiären Alzheimer nicht kausal zur Verschlimmerung der induzierten Pathologie beigetragen sowohl hinsichtlich der kognitiven Leistung in diversen Verhaltensversuchen als auch hinsichtlich dem Schweregrad der cerebralen Amyloidose. Zur Hyperhomocysteinämie, vor allem aber auch zur Rolle bestimmter diätetischer Interventionen in dem Kontext, findet man eine heterogene, teilweise konträre Literatur vor, insbesondere im klinischen Kontext. Die untersuchten diätetischen Ansätze in dieser Arbeit, bestehend aus hochdosierten B-Vitaminen, mehrfach ungesättigten Fettsäuren, Betain und einer komplexeren Mikronährstoffkombination, zeigten ebenfalls keinen konsistenten Effekt auf Phänotyp und Amyloid-β-Menge in den Hirnen der Tiere. Die Ergebnisse der durchgeführten Studien legen daher, zumindest in diesem Krankheitsmodell, keinen Wert als potentiell präventiven Ansatz der kognitiven Verschlechterung bei Alzheimer nahe. Da die dieser Arbeit zugrundeliegenden in vivo Studien keine per se erhöhten, AppNL-G-F-assoziierten Homocysteinspiegel offenbarten, zeigte sich Homocystein nicht als Biomarker, zumindest für die in diesem Mausmodell simulierten Aspekte der komplexen Alzheimer-Pathologie. Neben den zuvor beschriebenen fehlenden Effekten der Hyperhomocysteinämie, konnten in dieser Arbeit jedoch auch statistisch signifikante Einflüsse sichtbar gemacht werden. Wie in der durchgeführten Kinetikstudie gezeigt, resultierte die Alzheimer-ähnliche Pathologie in einem signifikant höheren Schweregrad der ausgebildeten Hyperhomocysteinämie in den AppNL-G-F Tieren im Vergleich zur gleichaltrigen Wildtyp-Kontrolle. Folglich übte der gestörte Amyloid-β-Metabolismus, neben der B-vitamindefizienten Diät, einen zusätzlich verstärkenden Effekt auf den hyperhomocysteinämischen Status aus. Sowohl für knock-in-, als auch Wildtyp-Tiere konnte gezeigt werden, dass bei Beendigung der Karenz an Vitamin B6, B12 und Folat, die erhöhten Homocystein- und Homocysteinsäurespiegel innerhalb kurzer Zeit wieder auf Baseline-Niveau normalisiert werden können. Weitere signifikante Effekte wurden detektiert bezüglich Erythrozyten-bezogener Parameter wie den Hämoglobingehalt im Blut der hyperhomocysteinämischen Tiere. Ein reduzierter Sauerstofftransport und die damit einhergehende verringerte Versorgung der Neuronen mit Sauerstoff in den entsprechenden experimentellen Gruppen deuten auf eine vornehmlich vaskuläre Wirkung hin im Hinblick auf Homocystein-bezogene Pathomechanismen, die potentiell zu einer Demenz beitragen. Solche Effekte können zusätzlich verstärkt worden sein durch die, in der durchgeführten Proteomanalyse gezeigte, Herunterregulierung angiogener Marker im Serum und in der Cerebrospinalflüssigkeit dieser Tiere. Eine Verringerung der kapillären Dichte im Hirn und ein verringerter cerebraler Blutfluss haben ein zusätzlich reduziertes Angebot an Sauerstoff und Glucose zur Folge und stellen einen Link zu eingeschränkter kognitiver Leistungsfähigkeit in Älteren und Alzheimer-Patienten dar. Translational relevant ist eine vaskuläre Wirkung von Homocystein auch dadurch, dass vaskuläre Demenz und Alzheimer in etwa 40% der Fälle koinzident sind und Homocystein in früheren Humanuntersuchungen eine größere Bedeutung bei der vaskulären Demenz im Vergleich zur Alzheimer-Erkrankung nahelegte. Auch wenn in Summe die beschriebenen Effekte der Hyperhomocysteinämie nicht groß genug waren, um sich in phänotypischen Einschränkungen in den Tieren auszudrücken, so konnten in der hier vorliegenden Arbeit dennoch Details zur Rolle erhöhter Homocysteinspiegel für verschiedene biologische Prozesse aufgeklärt werden. Insbesondere die Funde der explorativen Proteomanalyse in Serum und CSF könnten Ansatzpunkte für weitergehende Untersuchungen darstellen und sollten in anderen präklinischen Krankheitsmodellen und/oder einer Humanstudie validiert werden.