The study of Amyloid beta accumulation, Tau hyper-phosphorylation and Neuroinflammation in the brain and retina of Age-dependent Alzheimer’s disease transgenic mouse model = 연령대별 알츠하이머 질환 마우스모델의 뇌와 망막에서 아밀로이드 베타 축적, 타우 과인산화, 신경염증 지표 분석 연구

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Alzheimer's disease (AD) is a progressive neurodegenerative disease and one of the most common forms of dementia. It mainly affects the elderly population and is characterized by memory loss and cognitive impairment. The main pathological features of AD include the accumulation of amyloid beta (Aβ), the hyperphosphorylation tau (pTau) protein, and the protracted microglial activation. These factors contribute to neuronal dysfunction and cell death. Current diagnostic methods, such as positron emission tomography (PET) and cerebrospinal fluid (CSF) analysis, are invasive and costly, which limits their effectiveness for early detection of conditions. Recent studies have identified the accumulation of Aβ and pTau protein in the eyes of AD patients. In this study, we used tissue-clearing techniques to visualize the accumulation of Aβ and pTau protein in the both brain and eyeball tissues. We worked with 5xFAD and Wild-Type mice, and we extracted 2 mm brain sections and eyeball. We performed Aβ staining followed by tissue-clearing and conducted additional staining for pTau(Ser404) and the microglia marker Iba1. Our results revealed a significant accumulation of Aβ, pTau, and activation of microglial in the cortex and hippocampus of 5xFAD mice. In contrast, no such accumulation was observed in Wild-Type control mice. However, retinal analysis revealed nonspecific binding of Thioflavine S (ThioS) and pTau protein to retinal fibers in both 5xFAD and Wild-Type mice, leading to the formation of neurofibrillary tangles (NFTs). This study used a staining method after clearing brain tissue and eyes to detect the accumulation of amyloid beta and pTau proteins in the tissue. These results support the potential of eye examination as an early diagnosis of AD, and suggest that it may be a cost-effective and less complicated alternative to current diagnostic methods. There is currently no cure or complete prevention for AD. However, in the future, this technology could be used to frequently obtain eye images using noninvasive optical imaging, enabling early treatment of AD, slowing the progression of the disease, and improving the quality of life of patients. Keywords Alzheimer’s Disease, Brain, Eyeball, Biomarker

국문 초록 (Abstract)

점진적인 신경 퇴행성 질병인 알츠하이머 질환은 주로 고령 인구에서 발생하는 가장 흔한 치매의 형태 중 하나이다. 이 질환은 기억력 저하와 인지 기능의 손상을 특징으로 한다. 이 질환의 병리학적 원인으로는 뇌 속 아밀로이드 베타 축적과 타우 단백질의 비정상적인 과인산화, 마이크로글리아의 과활성화가 꼽힌다. 이러한 병리학적 변화는 신경 세포의 기능 손상 및 세포 사멸을 유발하여 알츠하이머 질환의 진행에 기여한다.
그러나 현재 알츠하이머 질환 진단을 위해 사용되는 양전자 방출 단층 촬영(PET)이나 뇌척수액 검사는 침습적이며 비용이 매우 높아 조기 진단에 실효성이 제한적이다. 최근 연구에 따르면, 알츠하이머 질환 환자의 망막에서도 아밀로이드 베타와 타우 단백질 축적이 관찰될 수 있음을 제시하며, 망막이 알츠하이머 질환의 초기 병리학적 변화를 탐지할 수 있는 유망한 생체 지표로 주목 받고 있다. 본 연구에서는 조직 투명화 기법을 통해 망막과 뇌 조직 내 아밀로이드 베타와 타우 단백질 축적을 시각화하고, 이와 관련된 병리학적 변화를 확인하는 방법을 제안하였다. 본 실험에서는 5xFAD와 야생형 마우스 모델의 뇌(2mm)와 안구를 사용하여 진행되었다. 각 조직을 아밀로이드 베타 염색 후 조직 투명화를 진행하였으며, pTau (Ser404) 및 마이크로글리아 마커 Iba1 염색을 수행하였다. 연구 결과, 5xFAD 모델의 대뇌피질과 해마 부분에서 다량의 아밀로이드 베타 축적, 타우 과인산화, 마이크로글리아 활성화가 관찰된 반면, 야생형 쥐의 동일 부위에서는 이러한 병리학적 특징이 발견되지 않았다. 하지만, 5xFAD, 어린 야생형 마우스와 고령의 야생형 마우스에서의 망막을 확인하였을 때 모든 마우스의 망막 섬유에서 ThioflavineS 염색 및 타우 단백질의 과인산화로 인해 형성되는 뉴로피브릴리 탱글이 비특이적으로 부착된 것을 확인하였다. 이 결과는 망막이 초기 병리학적 변화를 탐지할 수 있는 가능성을 시사하며, 안구 조직이 기존의 침습적이고 고비용인 진단법의 대안이 될 수 있다고시사한다.
본 연구는 뇌조직과 망막을 대상으로 한 조직 투명화 기술을 사용하여 염색을 한 뒤, 광학 이미징 방법을 통해 알츠하이머 질환의 아밀로이드 베타와 타우 단백질의 축적을 분석할 수 있는 도구가 될 수 있다는 가능성을 보여준다. 이러한 접근법은 알츠하이머 질환의 조기 진단으로서 안구 검사의 유용성을 뒷받침하고, 기존의 고비용이며, 측정이 어려운 진단법의 대안이 될 수 있음을 시사한다. 현재 알츠하이머 질환에 대한 치료법이나 완전한 예방법이 없다. 추후에는 이 기술을 기반으로 비침습적 광학 이미징을 통해 수시로 안구 영상을 얻어 알츠하이머 질환의 조기 치료를 가능하게 하여, 질병의 진행을 늦추고 환자들의 삶의 질을 향상시킬 수 있을 것으로 사료된다.
중심어: 알츠하이머성 치매, 뇌, 안구, 바이오마커

목차 (Table of Contents)

• CHAPTER 1. Introduction 1
• 1. Alzheimer's Disease 1
• 1.1 Prevalence of Alzheimer's disease 1
• 1.2 Pathogenesis 2
• 1.2.1 Amyloid beta 3
• 1.2.2 Tau 5
• 1.2.3 Microglia 7
• 1.3 The relationship between the rain and the retina 9
• 1.3.1 Pathological features of AD retina 11
• 1.4 Tissue-clearing 13
• 1.4.1 Hydrogel based approach 14
• 1.4.2 Hydrophobic approach 15
• 1.4.3 Hydrophilic approach 16
• 1.5 Current diagnosis of AD 17
• CHAPTER 2. Materials and Methods 18
• 2.1 Animals 18
• 2.2 PET/CT imaging 18
• 2.3 Tissue preparation 19
• 2.4 Thioflavine S staining 21
• 2.5 Tissue-clearing 21
• 2.6 Blocking and Antibody labeling 22
• 2.7 Two-photon Microscopy 23
• CHAPTER 3. Results 24
• 3.1 Brain PET image 24
• 3.2 Half brain Thioflavine S staining and clearing after labeling pTau(Ser404) 25
• 3.3 Brain 2mm section and Eyeball staining and clearing 27
• 3.4 Comparative Visual representation of 3D imaging for mouse brain section 29
• 3.5 Comparative Visual representation of 3D imaging for Eyeball 33
• CHAPTER 4. Discussion 36
• CHAPTER 5. Conclusion 40
• Abbreviation 41
• References 43
• Abstract in Korean 49
• Acknowledgement 51