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Design, synthesis and evaluation of fluorescent probes for the diagnosis of Alzheimer's disease and Parkinson's disease

Gu, Jiamin :
Design, synthesis and evaluation of fluorescent probes for the diagnosis of Alzheimer's disease and Parkinson's disease.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2013)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Design, synthesis and evaluation of fluorescent probes for the diagnosis of Alzheimer's disease and Parkinson's disease
Language: English
Abstract:

Alzheimer’s disease (AD) and Parkinson's disease (PD) are two of the most common neurodegenerative disorders. Amyloid-β (Aβ) and tau are the two hallmark proteins in AD, while typical pathological hallmarks of PD are characterized by the formation of fibrillar aggregates composed of α-synuclein (ASN). In AD, the development of brain penetrating probes which could specifically target to Aβ plaques or neurofibrillary tangles (NFTs) is considered to be a significant advance not only to diagnosis but as an enabling tool for drug development. Novel non-invasive imaging may improve the diagnosis of AD. Several compounds have been developed to detect Aβ plaques pathology in the brains of patients with AD, whereas only few compounds have been reported to visualize NFTs. Here we have successfully synthesized and evaluated series of fluorescent probess for the detection of Aβ plaques and NFTs in AD, such as benzothiazoles, bis(styryl) derivatives, spiropyrans, indolium derivatives, trimethine cyanines and N-2-aryl-1,2,3-triazoles. The staining experiments using hippocampus sections from AD brain were visible by fluorescence microscopy indicated that several compounds may bind selectively to Aβ plaques or NFTs in the tissue. Quantification of the binding affinity of several active probes by a new competitive Thiazine Red R displacement assay was carried out. Selected candidates were profiled in the in vitro liver hepatocellular carcinoma cell (HepG2) assay and in the in vivo wild-type zebrafish embryo development assay for toxicological studies. Some probes display no or negligible cytotoxicity at different corresponding concentrations, especially benzothiazoles, spiropyrans, indolium derivatives, trimethine cyanines, which indicates sufficient safety for in vivo evaluation in mouse models. Additionally, selected tau active probes were applied to detect tau deposits in the olfactory epithelium tissues which may give assess to detection method for the diagnosis of AD in the early stages. At the same time, we investigated several imaging agents for the detection of ASN aggregates in postmortem PD brain sections. In addition, these probes may be radiolabeled and applied as PET and SPECT radioligands for noninvasive imaging in vivo.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Die Alzheimer Demenz (AD) und der Morbus-Parkinson (MP) sind die beiden meistbekannten, langsam fortschreitenden neurodegenerativen Erkrankungen. Kennzeichnend für beide Krankheiten sind proteinhaltige Ablagerungen, welche post mortem in den betroffenen Hirngeweben gefunden werden. Charakteristisch für die AD sind die beiden Proteine Amyloid-β (Aβ) und Tau, wohingegen für den MP Ablagerungen von α-Synuclein (ASN) in den Neuronen der substantia nigra pars compacta pathologisch kennzeichnend sind. Die Herstellung hirngängiger Substanzen in der AD, welche spezifisch an Aβ-Plaques und an den neurofibrillären Bündeln (NFTs) binden, sind nicht nur ein diagnostischer Ansatz, sondern auch ein erster Schritt in Richtung der Medikamentenentwicklung. Die derzeitige in vivo Diagnose der AD wird durch unzureichende Sensitivität und Spezifität der diagnostischen Methoden beeinträchtigt, weshalb eine neue nicht-invasive Bildgebung zur Früherkennung der AD benötigt wird. Derzeit gibt es unterschiedliche Verbindungsklassen für die Detektion der Aβ-Plaques, jedoch ist nur eine geringe Anzahl an Substanzen für den pathologischen Nachweis der NFTs bekannt. In dieser Arbeit wurden erfolgreich fluoreszierende Liganden unterschiedliche Substanzklassen der Thiazole, der Bisstyrole, der Spiropyrane, der Trimethincyanine oder auch der Indolyle für die Detektion der Aβ-Plaques und der NFTs in Hirngeweben von AD Patienten synthetisiert. Die Visualisierung der selektiv gebundenen Substanzen an Aβ-Plaques oder NFTs im Hippocampus eines AD-Gehirns erfolgte mittels eines Fluoreszenzmikroskops. Zur Bestimmung der Bindungsaffinität wurde ein neuer kompetitiver Thiazin Red R Assay eingesetzt. Des Weiteren wurden potentielle Verbindungen in vitro in einem hepatozellulären Karzinom-Assay (HepG2) sowie in einem Zebrafisch-Embryo Toxizitäts-Assay untersucht. Hierbei zeigten die Substanzen keine oder geringfügige Zytotoxizität bei entsprechender Konzentration auf, wodurch die Evaluation in einem in vivo Maus-Modell gegeben ist. Darüber hinaus ist die Detektion nasaler Tauablagerungen mittels dieser fluoreszenter Liganden in der Nasenschleimhaut möglich. Nach entsprechender Präparation erzeugen diese eine entsprechende Fluoreszenzmarkierung der entsprechenden Pathogene, wodurch eine Frühdiagnose ermöglicht wird. Gleichzeitig wurden ausgewählte Substanzen als potentielle Liganden für die Bindung an ASN in MP untersucht. Durch PET- bzw. SPECT-Bildgebung können weitere radioaktiv markierte Analoga als Sonden für Aβ, Tau und ASN dienen.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 540 Chemie
Divisions: 07 Fachbereich Chemie
07 Fachbereich Chemie > Organ Chemistry
Date Deposited: 18 Apr 2013 13:43
Last Modified: 18 Apr 2013 13:43
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-33198
Referees: Schmidt, Professor Boris and Schmitz, Professor Katja
Refereed: 18 February 2013
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/3319
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