A Study on Neuroprotective effects of CD-I-531, a modified derivatives of oat extract Avenanthramide-C, in transgenic mouse models of Alzheimer’s disease = 알츠하이머 질환 마우스 모델에서 귀리 추출물 아베난쓰라마이드-C의 개선된 유도체 CD-I-531의 신경보호 효과에 대한 연구

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Alzheimer's disease (AD) is the most common form of dementia, characterized by the progressive deterioration of neuronal and synaptic function due to amyloid-beta (Aβ) plaques and tau tangles, which leads to cognitive decline. These pathological changes induce oxidative stress, neuroinflammation, and apoptosis, significantly affecting synaptic plasticity, which plays a crucial role in memory. Long-term potentiation (LTP) is a process of long-lasting synaptic strengthening that is essential for memory and learning. In AD, LTP is impaired or fails to be properly maintained, leading to significant deficits in memory formation and learning ability. LTP experiments are vital for assessing changes in synaptic plasticity and investigating the pathological mechanisms and therapeutic possibilities of AD. Avenanthramide-C (Avn-C), a polyphenol derived from oats, has shown potential in reducing inflammatory markers and improving synaptic function in AD models, though at relatively high concentrations (50 µM). In this study, we developed six derivatives of Avn- C and focused on CD-I-531, which showed promising effects. Western blot experiments revealed that treatment with 50 µM CD-I-531 in hippocampal slices blocked the interaction between GSK-3β and Caspase-3, and similar results were obtained at a 5-fold lower concentration of 10 µM. This suggests that CD-I-531 exhibits neuroprotective effects even at much lower concentrations (10 µM). CD-I-531, compared to Avn-C, restores LTP at a lower concentration (10 µM), inhibits GSK-3β activation. Additionally, CD-I-531 decreases Caspase-3, blocking or weakening apoptotic pathways induced by Aβ and tau, resulting in a reduction in neuronal cell death. By inhibiting the interaction between GSK-3β and Caspase-3, CD-I-531 shows potential in suppressing the progression of AD and providing neuroprotective effects. In LTP experiments, while Avn-C failed to restore LTP at concentrations lower than 50 µM, CD-I-531 was able to restore impaired LTP even at a 5-fold lower concentration (10 µM). This study suggests that CD-I-531, at lower concentrations than Avn-C, demonstrates potential in AD treatment by restoring LTP, inhibiting GSK-3β activation, and reducing Caspase-3-mediated neuronal cell death. Keywords Alzheimer’s disease ▪ Avn-C ▪ CD-I-531 ▪ LTP ▪ GSK-3β ▪ Caspase 3

국문 초록 (Abstract)

알츠하이머병(AD)은 치매의 가장 흔한 형태로, 아밀로이드 베타(Aβ) 플라크와 타우엉킴에 의해 신경 세포와 시냅스 기능이 점진적으로 손상되며 인지 저하를 초래한다.
이러한 병리학적 변화는 산화 스트레스, 신경염증, 세포자멸사를 유발하며, 특히 기억에 중요한 역할을 하는 시냅스 가소성에 큰 영향을 미친다. LTP(long term potentiation)는
시냅스에서의 장기적인 신경 연결 강화 과정으로, 기억과 학습에 중요한 역할을 한다. AD 에서는 LTP 가 감소하거나 정상적으로 유지되지 않아 기억 형성과 학습 능력이 크게
저하된다. LTP 실험은 이러한 시냅스 가소성의 변화를 평가하는 중요한 방법으로, AD 의 병리학적 기전과 치료 가능성을 연구하는 데 필수적이다. 귀리에서 유래한 폴리페놀인
아베난쓰라마이드-C(Avn-C)는 AD 모델에서 염증 지표를 감소시키고 시냅스 기능을 개선하는 데 잠재력을 보였으나, 상대적으로 높은 농도(50 µM)에서 효과를 나타낸다.
이에 본 연구에서는 Avn-C 유도체 6개를 개발하였으며 그 중 효과가 나타나는 CD-I531에 초점을 맞춰 실험을 진행하였다. 웨스턴블롯 실험을 통해 50마이크로몰 농도의
CD-I-531을 해마 슬라이스에 처리하였을 때 GSK-3β 와 Caspase-3의 상호작용을 차단하였으며 5배 낮은 농도인 10마이크로몰의 농도를 처리하였을 때도 비슷한 결과가
나타났다. 이는 훨씬 낮은 농도(10 µM)에서도 비슷한 신경 보호 효과를 보임을 의미한다.
CD-I-531은 Avn-C 와 비교하여 더 낮은 농도(10 µM)에서 LTP 회복을 비롯해 GSK3β 활성화를 억제하고, Caspase-3를 감소시켜 Aβ 와 타우에 의해 유도되는 세포자멸사
경로를 차단하거나 약화시켰다. 이는 신경 세포 사멸이 감소하는 결과를 얻음을 의미한다. GSK-3β 와 Caspase-3의 상호작용을 차단함으로써 AD 의 진행을 억제하고
신경 보호 효과를 나타낼 수 있는 가능성을 확인하였다. LTP 실험에서도 Avn-C 는 50마이크로몰보다 낮은 농도에서는 LTP 를 회복시키지 못하였지만, CD-I-531은 5배
낮은 농도인 10마이크로몰에서도 손상된 LTP 를 회복하는 결과를 보였다.
본 연구는 CD-I-531이 Avn-C 보다 더 낮은 농도에서 LTP 회복, GSK-3β 활성화 억제, Caspase-3 매개 신경 세포 사멸 감소에서 AD 치료에서의 잠재력을 보임을 제시한다.

목차 (Table of Contents)

• CHAPTER 1. Introduction 1
• 1. Alzheimer’s Disease (AD) 1
• 1.1 Epidemiology and clinical features 1
• 1.2 Pathogenesis 1
• 1.2.1 Amyloid hypothesis 1
• 1.2.2 Tau hypothesis 2
• 1.3 Cellular and Molecular Mechanisms 5
• 1.3.1 Oxidative stress and Mitochondrial Dysfunction 5
• 1.3.2 Neuroinflammatory Response 7
• 1.3.3 Interaction between GSK-3 beta and Caspase 3 7
• 2. Memory Function 9
• 2.1 Definition and Types of memory 9
• 2.2 Memory impairments in Alzheimer’s Disease 11
• 3. Synaptic Plasticity 12
• 3.1 Long-term potentiation (LTP) 12
• 3.2 Long-term depression (LTD) 13
• 4. Avn-C and derivatives 15
• CHAPTER 2. Materials and Methods 18
• 2.1 Mouse Models 18
• 2.2 Hippocampal Slice Preparation and CD-I-531 Treatment 18
• 2.3 Amyloid beta Preparation 19
• 2.4 Electrophysiology 19
• 2.5 Western Blotting 20
• 2.6 Statistical Analysis 20
• CHAPTER 3. Results 21
• CHAPTER 4. Discussion 44
• CHAPTER 5. Conclusions 49
• Abbreviation 50
• References 51
• Abstract in Korean 55
• Acknowledgements 57