Post-mortem Analysis of Amyloid Beta Pathologies in an Unselected Population

Abstract

Alzheimer’s disease (AD) is one of the leading causes of dementia in modern society. AD is a neurodegenerative disease, leading to impairment of cognition and executive functions. Most of the mechanisms and factors impacting the neuropathology of AD are still unknown or unclear, but amyloid beta (Aβ) and phosphorylated tau protein (p-tau) have been noted as remarkable components and have been subjects of major interest in Alzheimer’s research.

Amyloid beta, formed by cleavage from amyloid precursor protein, is a largely misunderstood protein, from its function outside of AD pathology, as well as its role within it. Current treatments focus on targeting Aβ but are not effective in reversing the progress of AD, instead merely alleviating symptoms. Without proper understanding of the occurrence and function of Aβ, it would be practically impossible to produce a completely functional treatment.

In this thesis, the aim is to better understand the occurrence of Aβ pathologies in an unselected population of varied age groups. Constructing a better understanding of how Aβ plaques occur in different stages of life may help to illuminate how Aβ functions in undiagnosed persons, potentially alluding to the normal function of Aβ. This thesis is based on the Tampere Sudden Death Study, where a cohort of 700 unselected cases that had died outside of hospital and autopsied for reasons unrelated to AD, from ages 16–95, was collected and preserved by freezing or formalin fixed and embedded in paraffin. For this thesis, a sub-set of 473 was used. The samples were stained, using immunohistochemical (IHC) staining with the widely used 4G8 antibody, and analysed utilising the ABC score, developed by the National Institute of Aging and Alzheimer’s Association (NIA-AA).

IHC staining is understood to be a reliable and specific technique to utilise in Aβ recognition. The staining protocol was slightly modified from published methods to minimise background noise from lipofuscin using sodium borohydride, but otherwise, a standard protocol was utilised. Additionally, Haematoxylin and eosin (H&E) staining was conducted for some samples, for further assurances that the samples were from the correct brain regions, as well as to be used in future research regarding small vessel disease in the brain.

From the data gathered, it can be ascertained with some confidence that occasions of Aβ pathologies correlate with age, as previously suspected. From the data collected, it cannot be decisively concluded whether or not sex can be associated in any meaningful way with Aβ occurrence, but a similar correlation with age was observed, regardless of sex.

Alzheimerin tauti on yleisin dementiaa aiheuttava muistisairaus. Se on rappeuttava neurologinen sairaus, joka heikentää kognitiota ja toiminnanohjausta taudin edetessä. Vaikka taudin synty- ja etenemismekanismit ovat edelleen suurilta osin tuntemattomia, amyloidi-beeta-peptidien (Aβ) sekä fosforyloituneiden tau-proteiinien (p-tau) muodostamat patologiset plakit ja filamentit ovat keskeisiä sen diagnosoinnissa.

Aβ on kaikilla ihmisillä esiintyvä proteiini, joka syntyy amyloidin esiasteproteiinista (APP) tapahtuvan pilkkoutumisen seurauksena. Alzheimerin taudissa Aβ kerääntyy solunulkoiseen tilaan muodostaen amylodiplakkeja. Tämä voi johtua sen liiallisesta tuotannosta tai aivojen heikentyneestä kyvystä poistaa peptidiä. Solunulkoisessa tilassa peptideistä aggregoituu plakkia, joka häiritsee hermosolujen normaalia toimintaa sekä vaurioittaa niiden välisiä yhteyksiä. Nykyiset lääketieteelliset hoidot kohdistuvat pääasiassa Aβ:n poistamiseen tai sen muodostumisen estämiseen. Kuitenkin peptidin normaalin toiminnan ollessa vielä laajalti tuntematon, nämä hoidot tuottavat puutteellisia tuloksia ja usein jopa merkittäviä haitallisia sivuoireita. Näin ollen on tärkeää ymmärtää Aβ:n normaali toiminta kokonaisvaltaisemmin toimivien hoitokeinojen kehittämiseksi.

Tässä tutkielmassa tarkastellaan Aβ:n ilmentymistä satunnaisotannalla kerätyn väestöotoksen sellaisten eri ikäisten potilaiden aivonäytteissä, jotka eivät ole menehtyneet Alzheimerin tautiin. Tutkimuksen tavoitteena on selvittää amyloidiplakkien esiintymistä ”normaaleissa” olosuhteissa eri ikäryhmissä sekä arvioida plakkien määrän yhteyttä ikään ja sukupuoleen. Näytteet on kerätty Tampere Sudden Death Study -tutkimuksessa 19–95-vuotiailta vainajilta, kuudesta eri aivoalueesta. Näytteet on joko fiksoitu parafiinin avulla tai säilötty kryonisesti, eli jäädyttämällä. Näytteitä on n. 700, joista tähän tutkielmaan on otettu käsiteltäväksi 473. Näytteet värjättiin käyttäen immunohistokemiallista värjäystä ja analysoitiin, National Institute on Aging and Alzheimer’s Associationin (NIA-AA) ABC-pisteytyksen mukaan.

Immunohistokemiallinen värjäys on vakiintunut ja spesifinen menetelmä tunnistaa ja analysoida Aβ:sta, sekä tau-proteiinista muodostuneiden plakkien määrää kudosnäytteistä. Käytössä on ollut monia värjäysmenetelmiä, mutta immunohistokemiallinen värjäys valittiin tämän tutkimuksen värjäysmenetelmäksi, koska se tarjoaa vasta-aineisiin perustuvan korkean spesifisyyden eri Aβ-muotoja kohtaan. Lisäksi osa näytteistä värjättiin hematoksyliini-eosiinivärjäyksellä oikean aivoalueen varmistamiseksi sekä mahdollistamaan jatkotutkimusta aivoissa esiintyvistä mikroangiopatioista sekä Aβ:n aiheuttamista amyloidiangiopatioista.

Tutkimuksen tulokset osoittavat, että amyloidiplakkien määrä kasvaa iän myötä, ja plakkeja esiintyy runsaammin vanhemmissa ikäryhmissä. Sukupuolen ja plakkimäärän välillä ei havaittu selkeää yhteyttä, mutta ikään liittyvä korrelaatio oli nähtävissä sekä miehillä että naisilla.

Tutkimus tuottaa arvokasta tietoa siitä, miten amyloidiplakkeja kertyy aivoihin normaaliväestössä ilman kliinistä Alzheimerin tautia. Tämä auttaa erottamaan normaalin ikääntymisen ja patologisen prosessin toisistaan, mikä on tärkeää sekä varhaisen diagnostiikan että hoitomenetelmien kehittämisen kannalta.