Linking molecular biomarkers and behavior in animal models and humans with Alzheimer’s disease
Alzheimer's disease (AD) is a progressive disease that causes degradation of memory, cognition, behavior, and the ability to perform daily activities. AD is inherently difficult to diagnose, especially in early stages when memory impairment is mild and may go unrecognized. To elucidate the molecular basis of pathological processes in AD, several AD animal models have been developed. Most of these models exhibit transgenic expression of one or more gene mutations found in familial AD. These animal models provide a powerful tool for investigating the molecular basis of cognitive decline associated with AD, and many behavioral paradigms have been applied to evaluate cognitive function in these animals.
The major pathological hallmarks of AD are the loss of neurons, occurrence of extracellular plaques, as well as intracellular neurofibrillary tangles (NFTs). Plaques are primarily composed of amyloid beta-protein (Abeta), which is produced from the amyloid precursor protein (APP) by sequential proteolytic cleavages. Although the clinical symptoms of AD are frequently diagnosed in older age, the degenerative process starts many years before the clinical onset of the disease. Layer II of the entorhinal cortex (EC) displays selective vulnerability to neuronal loss.
Despite intense investigation into the mechanisms of neurodegeneration and possible causes of AD,
currently no cure or definitive underlying cause exists. However, altered concentrations of Abeta peptide and tau protein in the cerebrospinal/interstitial fluid (CSF/ISF) are thought to be predictive markers for AD. In humans, these biomarkers are present decades prior to the onset of other symptoms in AD.
This application covers the sampling of CSF/ISF data (mus musculus, n=308, Rattus norvegicus, n=80) in order to longitudinally compare sampled Abeta and tau protein levels and the use of Designer Receptors Exclusively Activated by Designer Drugs (DREADDs) to behavioral performance in a memory task that is known to depend on brain regions implicated in AD. The work described in this application is intended for rodent research only; however, we are collaborating with clinicians conducting an analogous study sampling CSF from human AD patients, and we ultimately aim to compare our animal findings directly with those in humans.
The well-being and health of the animals employed in these experiments will be continuously monitored, but they are expected to experience some pain or distress during the experiments. However, the transgenic animals will receive humane-endpoints if their phenotype affects general well-being. Surgery will be conducted under a strict anesthesia and analgesia regime that will minimise pain during surgery, and careful postoperative care will be employed to ensure that animals experience minimal discomfort. The sampling of CSF/ISF/long-term silencing is optimal in awake, behaving animals, and therefore these experiments cannot be conducted in vitro. Extensive preliminary in vitro experiments will ensure that the CSF/ISF replaced in animals is highly similar, and will reduce the number of animals used. Moreover, these experiments cannot be conducted in invertebrates as they lack the brain structures of interest. Through the perfection of surgical techniques and limitation of duration, as well as number of surgeries, the severity of these experiments will be reduced.
The major pathological hallmarks of AD are the loss of neurons, occurrence of extracellular plaques, as well as intracellular neurofibrillary tangles (NFTs). Plaques are primarily composed of amyloid beta-protein (Abeta), which is produced from the amyloid precursor protein (APP) by sequential proteolytic cleavages. Although the clinical symptoms of AD are frequently diagnosed in older age, the degenerative process starts many years before the clinical onset of the disease. Layer II of the entorhinal cortex (EC) displays selective vulnerability to neuronal loss.
Despite intense investigation into the mechanisms of neurodegeneration and possible causes of AD,
currently no cure or definitive underlying cause exists. However, altered concentrations of Abeta peptide and tau protein in the cerebrospinal/interstitial fluid (CSF/ISF) are thought to be predictive markers for AD. In humans, these biomarkers are present decades prior to the onset of other symptoms in AD.
This application covers the sampling of CSF/ISF data (mus musculus, n=308, Rattus norvegicus, n=80) in order to longitudinally compare sampled Abeta and tau protein levels and the use of Designer Receptors Exclusively Activated by Designer Drugs (DREADDs) to behavioral performance in a memory task that is known to depend on brain regions implicated in AD. The work described in this application is intended for rodent research only; however, we are collaborating with clinicians conducting an analogous study sampling CSF from human AD patients, and we ultimately aim to compare our animal findings directly with those in humans.
The well-being and health of the animals employed in these experiments will be continuously monitored, but they are expected to experience some pain or distress during the experiments. However, the transgenic animals will receive humane-endpoints if their phenotype affects general well-being. Surgery will be conducted under a strict anesthesia and analgesia regime that will minimise pain during surgery, and careful postoperative care will be employed to ensure that animals experience minimal discomfort. The sampling of CSF/ISF/long-term silencing is optimal in awake, behaving animals, and therefore these experiments cannot be conducted in vitro. Extensive preliminary in vitro experiments will ensure that the CSF/ISF replaced in animals is highly similar, and will reduce the number of animals used. Moreover, these experiments cannot be conducted in invertebrates as they lack the brain structures of interest. Through the perfection of surgical techniques and limitation of duration, as well as number of surgeries, the severity of these experiments will be reduced.
Etterevaluering
Alle forsøk som er betydelig belastende skal etterevalueres av Mattilsynet
Begrunnelse for etterevalueringen
Hensikten med forsøket har vært å undersøke den molekylære, patologiske prosessen under utviklingen av Alzheimers sykdom. Forsøket har bygget videre på funn fra pilotforsøk med FOTS id 17392.
Forsøket har vært inndelt i tre arbeidspakker for å teste ulike hypoteser.
Enkelte grupper av forsøksdyr har fått implantert mikrodialyseprober for prøvetaking av amyloid-beta og tau protein (bio-markører for AD) fra cerebrospinalvæske over lang tid.
Dette er gjort for å følge utvikling av sykdom sammenholdt med identifisering av markører for sykdommen.
Det er gjort forsøk med DREADD-reseptorer (Designer Receptors Exclusively Activated by Designer Drugs) for å inhibere celler i EC LII og finne ut om disse cellene er utgangspunktet for den molekylære sykdomskaskaden.
Det er gjort forsøk med gamma-sekretase-inhibitorer som er blitt administrert via mikrodialyseprobene, for å undersøke om disse stoffene ville bremse eller stoppe utviklingen av sykdom.
Det er også gjennomført ulike atferdsforsøk for å teste hvordan hukommelsen til dyrene er blitt påvirket av sykdomsutvikling.
Dyr med implanterte prober har måttet være oppstallet alene i perioder, og dette var grunnen til at vi vurderte at den samlete belastningen for disse dyrene kunne bli betydelig.
Opprinnelig ble det godkjent bruk av 380 mus og 80 rotter i forsøket. Dette ble endret i 2021 slik at 80 rotter ble erstattet med 80 mus.
Det er brukt 211 mus i forsøket. Forsøksansvarlig opplyser at det er brukt færre dyr enn opprinnelig antatt på grunn av optimalisering av metoder. En del av dyrene er erstattet med in vitro-forsøk og trening på kadaver.
Forsøksansvarlig angir at begge hovedformålene til forsøket ble oppnådd:
Det første var å se om Alzheimer-biomarkører kunne «oversettes» fra mus til mennesker. Dette ble gjort, ved immunohistokjemisk behandling av hjernevev, spinalvæske-prøvetaking og adferdstesting i mus.
Det andre formålet var å se om sykdomsprosessen ved Alzheimer i mus kunne manipuleres. Dette har forskergruppen fått til med molekylærgenetiske metoder samt medikamenter.
Vi vet nå at spinalvæske-biomarkører i mus og mennesker er like langs sykdomsprosessen.
Forskerne har også funnet to medikamenter som er lovende med hensyn til å stoppe spredningen av aggregerte proteiner i mus som modellerer sykdommen.
Vi vet også nå at amyloid-beta mest sannsynlig starter der tau gjør i hjernen til mus som modellerer sykdommen.
Disse funnene er publisert i to vitenskapelige artikler:
https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/34719495/
https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2022.01.14.476357v1
Forsøket frem til i dag har hjulpet feltet med å utvikle en metode for langtidsprøvetaking av spinalvæske, samt metoder som kan manipulere spesifikke cellegrupper i hjernen til mus.
Dyr ble oppstallet i par der det var mulig, og det er brukt miljøberikete bur.
Forsøksansvarlig angir at de metodene som er brukt i forsøket er de beste metodene for å oppnå de aktuelle formålene.
Det gjøres arbeid med å lage cellekulturer av nettverk/hjerneområder involvert i Alzheimers sykdom, men det er ikke mulig å fullt ut erstatte forsøksdyr i demensforskning med cellekulturer, siden slike celler ikke eldes slik som celler in vivo.
Forsøksansvarlig angir at scoreskjema har vært godt tilpasset de ulike muselinjene som er brukt i forsøket.
Av 211 mus brukt i forsøket er 30 rapportert med betydelig belastning.
115 er rapportert med moderat belastning, 4 med mild belastning, og 62 mus er blitt brukt i en terminal prosedyre.
Forsøket har vært inndelt i tre arbeidspakker for å teste ulike hypoteser.
Enkelte grupper av forsøksdyr har fått implantert mikrodialyseprober for prøvetaking av amyloid-beta og tau protein (bio-markører for AD) fra cerebrospinalvæske over lang tid.
Dette er gjort for å følge utvikling av sykdom sammenholdt med identifisering av markører for sykdommen.
Det er gjort forsøk med DREADD-reseptorer (Designer Receptors Exclusively Activated by Designer Drugs) for å inhibere celler i EC LII og finne ut om disse cellene er utgangspunktet for den molekylære sykdomskaskaden.
Det er gjort forsøk med gamma-sekretase-inhibitorer som er blitt administrert via mikrodialyseprobene, for å undersøke om disse stoffene ville bremse eller stoppe utviklingen av sykdom.
Det er også gjennomført ulike atferdsforsøk for å teste hvordan hukommelsen til dyrene er blitt påvirket av sykdomsutvikling.
Dyr med implanterte prober har måttet være oppstallet alene i perioder, og dette var grunnen til at vi vurderte at den samlete belastningen for disse dyrene kunne bli betydelig.
Opprinnelig ble det godkjent bruk av 380 mus og 80 rotter i forsøket. Dette ble endret i 2021 slik at 80 rotter ble erstattet med 80 mus.
Det er brukt 211 mus i forsøket. Forsøksansvarlig opplyser at det er brukt færre dyr enn opprinnelig antatt på grunn av optimalisering av metoder. En del av dyrene er erstattet med in vitro-forsøk og trening på kadaver.
Forsøksansvarlig angir at begge hovedformålene til forsøket ble oppnådd:
Det første var å se om Alzheimer-biomarkører kunne «oversettes» fra mus til mennesker. Dette ble gjort, ved immunohistokjemisk behandling av hjernevev, spinalvæske-prøvetaking og adferdstesting i mus.
Det andre formålet var å se om sykdomsprosessen ved Alzheimer i mus kunne manipuleres. Dette har forskergruppen fått til med molekylærgenetiske metoder samt medikamenter.
Vi vet nå at spinalvæske-biomarkører i mus og mennesker er like langs sykdomsprosessen.
Forskerne har også funnet to medikamenter som er lovende med hensyn til å stoppe spredningen av aggregerte proteiner i mus som modellerer sykdommen.
Vi vet også nå at amyloid-beta mest sannsynlig starter der tau gjør i hjernen til mus som modellerer sykdommen.
Disse funnene er publisert i to vitenskapelige artikler:
https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/34719495/
https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2022.01.14.476357v1
Forsøket frem til i dag har hjulpet feltet med å utvikle en metode for langtidsprøvetaking av spinalvæske, samt metoder som kan manipulere spesifikke cellegrupper i hjernen til mus.
Dyr ble oppstallet i par der det var mulig, og det er brukt miljøberikete bur.
Forsøksansvarlig angir at de metodene som er brukt i forsøket er de beste metodene for å oppnå de aktuelle formålene.
Det gjøres arbeid med å lage cellekulturer av nettverk/hjerneområder involvert i Alzheimers sykdom, men det er ikke mulig å fullt ut erstatte forsøksdyr i demensforskning med cellekulturer, siden slike celler ikke eldes slik som celler in vivo.
Forsøksansvarlig angir at scoreskjema har vært godt tilpasset de ulike muselinjene som er brukt i forsøket.
Av 211 mus brukt i forsøket er 30 rapportert med betydelig belastning.
115 er rapportert med moderat belastning, 4 med mild belastning, og 62 mus er blitt brukt i en terminal prosedyre.