Die Auswirkungen von α-Tocopherol und α-Tocotrienol auf die amyloidogene Prozessierung und Cholesterinhomöostase im Rahmen der Alzheimer Krankheit

Abstract

Die Alzheimer Erkrankung (engl. Alzheimer‘s disease, AD) stellt die weltweit häufigste Ursache für Demenz dar. Amyloid-Plaques und neurofibrilläre Bündel (engl. neurofibrillary tangles, NFTs) bilden eine entscheidende Komponente der Pathogenese, der erstmals von Alois Alzheimer beschriebenen Erkrankung. Extrazelluläres Amyloid oder auch neuritische Plaques bestehen aus aggregierten Amyloid β (Aβ)-Proteinen. Diese entstehen durch die proteolytische Prozessierung des Amyloid Vorläufer Proteins (engl. amyloid-precusor-protein, APP). APP, welches unter anderem von Neuronen exprimiert wird, ist ein Typ-I-Transmembraneprotein, dessen genaue Funktion noch nicht gänzlich geklärt ist. Die hydrophobe transmembrane Domäne des APP beinhaltet die Aβ-Sequenz, welche im Rahmen der proteolytischen Prozessierung von APP durch die Aspartyl-Proteasen β- und γ-Sekretase freigesetzt wird. Darüber hinaus spielen reaktive Sauerstoffspezies (engl. reactive oxygen species, ROS) ebenfalls eine entscheidende Rolle in der Pathogenese chronischer Erkrankungen, zu welche auch AD zählt. Auch die Cholesterinhomöostase trägt maßgeblich zur Pathogenese der AD bei. Hypercholesterinämie ist ein bekannter Risikofaktor verschiedener chronischer Erkrankungen und wird mit einer Förderung von Inflammationsprozessen, oxidativem Stress, sowie einer erhöhten Freisetzung von Aβ aus APP in Zusammenhang gebracht. In zahlreichen früheren Studien konnte gezeigt werden, dass Vitamin E ein hohes antioxidatives, Cholesterin-senkendes sowie antiinflammatorisches Potenzial besitzt, weshalb es als neuroprotektive Substanz im Zusammenhang mit verschiedenen neurodegenerativen Erkrankungen untersucht wurde. Bezüglich AD zeigte sich innerhalb epidemiologischer Studien ein verringertes Erkrankungsrisiko. Im Rahmen randomisierter, kontrollierter Studien konnten diese Effekte jedoch nicht reproduziert werden, weshalb Vitamin E als diätische Therapieoption kontrovers diskutiert wird. Als Ursache für die inkongruente Studienlage wird häufig das unterschiedliche Studiendesign angeführt. Ziel dieser Arbeit ist es die Wirkung der Vitamin E-Derivate α-Tocopherol (α-TP) und α-Tocotrienol (α-TT) auf die amyloidogene Prozessierung, die Beseitigung von ROS sowie den Cholesterinspiegel zu untersuchen, um ein detaillierteres Wirkprofil des Vitamins im Rahmen von AD zu erhalten und gegebenenfalls anteilige Ursachen der widersprüchlichen Studienlage zu erkennen. Aufgrund des hohen antioxidativen Potenzials von α-TP sowie der ausführlichen bisherigen Studienlage zu diesem wurde das Vitamin E-Derivat im Rahmen dieser Arbeit verwendet. Tocotrienole (TTs) zeichnen sich durch ihre ausgeprägten Cholesterin-senkenden Eigenschaften über die Beeinflussung des SREBP (engl. sterol regulatory element-binding protein, „Sterol-regulierendes Element bindendes Protein“) /SCAP (engl. SREBP cleavage activating protein, „SREBP-Spaltung-aktivierendes Protein“)-Systems aus, was sie zu einem interessanten Substanz bei der Suche nach ernährungsbezogener Beeinflussung der AD Pathogenese macht. Aus diesem Grund wurde α-Tocotrienol (α-TT) in dieser Arbeit ausgewählt, um den Effekt der beiden Vitamin E-Derivate im Rahmen der durchgeführten Experimente vergleichen zu können. Zur Untersuchung des Effekts von α-TP und α-TT auf die amyloidogene Prozessierung wurden humane Neuroblastomzellen verwendet. Es zeigte sich eine Erhöhung des Gesamt-Aβ sowohl durch die Inkubation mit α-TP als auch α-TT. Zur weiteren Aufschlüsselung des hierfür zugrundeliegenden Mechanismus erfolgte die Untersuchung der Aktivität der β- und γ- Sekretase unter Einfluss der Vitamin E-Derivate. Es ergab sich eine erhöhte Aktivität der Sekretasen. Dass dieser ein direkter Effekt von α-TP und α-TT zugrunde liegen könnte, ergaben die Untersuchung der Sekretaseaktivität in post-nukleären Fraktionen, sowie die Analyse der Expression der den Sekretasen zugrundeliegenden Gene. Der Abbau von Aβ trägt maßgeblich zur Aβ-Homöostase und dem generellen Aβ-Aufkommen bei. Unter dem Einfluss von α-TP und α-TT zeigte sich eine Reduktion der Degradation, woraus sich schließen lässt, dass die Erhöhung des Gesamt-Aβ neben der Aktivierung der Aβ-produzierenden Enzyme auch auf eine Reduktion des Aβ-Abbaus zurückzuführen sein könnte. Durch die Verwendung von Insulin als kompetitiven Inhibitor des Insulin-degradierenden Enzyms (engl. insulin degrading enzyme, IDE), welches maßgeblich am Aβ-Abbau beteiligt ist, war keine Beeinflussung der Degradation nach Inkubation mit α-TT zu verzeichnen. Hieraus lässt sich schlussfolgern, dass der Einfluss von α-TT über einen Mechanismus zustande kommt, bei welchem IDE eine entscheidende Rolle spielt. Bei der Untersuchung des Effekts der Vitamin E Derivate auf den Cholesterinspiegel zeige sich eine deutliche Dominanz des Cholesterin-senkenden Effekts von α-TT im Vergleich mit α-TP. Darüber hinaus zeigte sich hierbei eine stärkere Senkung des Gesamt-Cholesterins als des freien Cholesterins, was vermuten lässt, dass der Cholesterin-senkende-Effekt des α-TTs vor allem über verestertes Cholesterin erfolgt. Aufgrund der Wechselwirkungen von Aβ und ROS ist die antioxidative Rolle der Vitamin E-Derivate im Rahmen von AD entscheidend. Die Untersuchung der antioxidativen Eigenschaften erfolgte durch eine Behandlung der humanen Neuroblastomzellen mit hochreaktiven Sauerstoffspezies (engl. highly-reactive oxygen species, hROS) und H2O2 induziertem hROS. Durch die Inkubation mit den Vitamin E-Derivaten erfolgte eine Reduktion der Oxidantien. Der Effekt von α-TT auf hROS war im Vergleich mit α-TP stärker ausgeprägt. Die Ergebnisse dieser Arbeit verdeutlichen die vielfältigen Effekte von Vitamin E-Derivaten im Rahmen von AD. Durch sowohl vorteilhafte Eigenschaften wie die Senkung des Cholesterinspiegels und hROS, als auch nachteilige Eigenschaften wie die Induktion der Aβ-Synthese und Reduktion der Aβ-Degradation wird deutlich, dass eine unreflektierte Supplementation von Vitamin E nicht für jeden Patienten geeignet ist. Vielmehr sind das metabolische Profil sowie das Erkrankungsstadium im Sinne von personalisierter Medizin mit einzubeziehen. So könnten Patienten mit einem hohen Cholesterinspiegel vorwiegend von dem Cholesterin-senkenden Effekt des Vitamin Es profitieren, während eine Vitamin E-Zufuhr bei Patienten mit geringem oder normwertigem Cholesterinspiegel weniger Vorteile birgt.

The influence of α-Tocopherol and α-Tocotrienol on the amyloidogenic processing and cholesterol homeostasis in Alzheimer’s disease Alzheimer’s disease (AD) is the world’s most common cause of dementia. It is characterised by amyloid plaques and neurofibrillary tangles, as crucial parts of the disease pathogenesis. The extracellular amyloid plaques contain aggregates of amyloid-β (Aβ), generated by sequential proteolytic processing of the amyloid precursor protein (APP). The type 1 transmembrane protein APP is expressed by neurons and other cells, yet its function remains unclear. The hydrophobic transmembrane domain of APP includes the Aβ sequence that is released via amyloidogenic processing through β- and γ-secretase activity. Besides Aβ, reactive oxygen species are a significant part of AD pathogenesis, since they induce Aβ synthesis, inflammation, and neurodegeneration. Furthermore, the cholesterol homeostasis plays a critical role in AD pathogenesis. Hypercholesteremia is a well-known risk factor in multiple chronic diseases as well as AD. It’s associated with induced inflammation, oxidative stress and an increased Aβ synthesis. Vitamin E shows relevant antioxidative potential as well as cholesterol lowering effects in early studies. Therefore, studies focussed on evaluating its neuroprotective properties regarding neurodegenerative diseases. Regarding AD, there was a reduced risk of disease development. However, these promising effects could not be substantiated in randomized, controlled studies, leading to a controversy in terms of vitamin E as a therapeutic option in AD. Vastly variable study-designs could be a reason for these inhomogeneous results. The aim of this work was to evaluate the effect of α-Tocopherol (α-TP) and α-Tocotrienol (α-TT) on the amyloidogenic processing, reduction of ROS and cholesterol homeostasis to gain a detailed knowledge on the impact of vitamin E in AD and potentially find further reasons for inconsistencies in former studies. Due to its high antioxidative properties α-TP was so far in the focus of science and is likely the most studied form of vitamin E. Therefore, it was used in this work. Tocotrienols (TTs), however, are unique due to their cholesterol-lowering effects by modifying the sterol regulatory element-binding protein (SREBP)/ SREBP-cleavage activating protein (SCAP)-system. This renders them an attractive target in the search for a diet-based AD therapy. Therefore α-Tocotrienol (α-TT) was used in this work as well aiming to facilitate a comparison between the two vitamin E forms. To evaluate the effects of α-TP and α-TT on the amyloidogenic processing, human neuroblastoma cells were used. There was an increase in total Aβ following the incubation with α-TP and α-TT. To further break down this mechanism, the β- and γ-secretase activity was measured, revealing an increased activity for both enzymes. Since there was a similar effect in postnuclear fractions but nearly no alteration on a genetic level, a direct effect of α-TP and α-TT on the enzymes was suggested. Degradation of Aβ constitutes another important component of Aβ-homeostasis. Aβ-degradation was decreased due to α-TP and α-TT treatment, therefore contributing to the observed rise in total Aβ. When using insulin as a competitive inhibitor of the insulin degrading enzyme (IDE), which is one of the major enzymes involved in Aβ-degradation, there was no effect following α-TT incubation, suggesting an IDE-mediated mechanism of reduced Aβ-degradation. When evaluating the effects of α-TP and α-TT on cholesterol levels, there was a reduction of cholesterol especially after α-TT treatment. Furthermore, there was a pronounced reduction of total cholesterol in comparison to free cholesterol suggesting a connection between the cholesterol-lowering effect and cholesterol esters. Due to the interaction between ROS and Aβ, vitamin E forms are a promising target in AD therapy since they are potent antioxidants. To evaluate the antioxidative effects of the vitamin E forms, human neuroblastoma cells were treated with highly-reactive oxygen species (hROS) and H2O2 induced hROS as well as α-TP and α-TT. There was a reduction in oxygens, especially through α-TT regarding hROS. These results evidence the versatile effects of vitamin E forms on AD. Favourable characteristics like cholesterol-lowering and ROS-reducing properties alongside detrimental effects like induced Aβ synthesis and reduced Aβ-degradation suggest that Vitamin E supplementation is not suitable for every patient. In the framework of personalized medicine, the patient’s metabolic profile and state of the disease should be taken into consideration. Patients with hypercholesterolemia might profit from the cholesterol-lowering effects, while patients with normal cholesterol levels are solely exposed to unfavourable characteristics.