Biomarkers for monitoring anti-amyloid-ß therapies in preclinical studies and clinical trials for Alzheimer’s disease

Abstract

A doença de Alzheimer (DA) é a forma mais comum de demência no mundo, afetando mais de 35 milhões de pessoas e sendo responsável por dois terços dos casos de demência. Infelizmente, os únicos tratamentos disponíveis até aos dias de hoje são sintomáticos. Atualmente, a hipótese da cascata da amiloide, na qual o péptido beta-amiloide (Aß) tem o papel central no desenvolvimento da doença, é a mais aceite para explicar a patologia desta doença, sendo suportada por uma extensa lista de fatores genéticos, patológicos e farmacológicos. Este péptido pode ser truncado em ambas as extremidades, dando origem a uma variedade de fragmentos de diferentes tamanhos. Devido ao seu papel central na DA, o desenvolvimento de terapias que tenham como alvo este péptido são de elevado interesse. Com a contínua procura por possíveis tratamentos, o desenvolvimento de ferramentas que consigam avaliar a segurança e eficiência de novos candidatos terapêuticos é crucial. Para este efeito, os biomarcadores no líquido cefalorraquidiano (LCR) têm-se tornado cada vez mais úteis. A maioria dos estudos que incorporaram medições de biomarcadores têm-se focado no péptido full-length (Aß1-x). No entanto existe também a necessidade de estudar os péptidos truncados, os quais podem contribuir para a patologia. Neste projeto monitorizámos os efeitos de fármacos experimentais (inibidores da BACE1, moduladores e inibidores da γ-secretase) em diferentes espécies da Aß (Aß1-37/38/40/42, Aßx37/38/40/42, Aß11-x). De forma a termos em consideração possíveis diferenças entre modelos e espécies, os níveis destes biomarcadores foram avaliados em amostras pré-clínicas e clínicas (sobrenadante celular, e LCR de cães beagles e humano). Adicionalmente, foi também avaliada a interferência da matriz nas medições de Aß1-42, e como esta interferência influencia a capacidade diagnóstica do péptido isolado ou combinado com outos péptidos. Os nossos resultados mostraram que o péptido Aß11-x – um produto da clivagem alternativa da BACE – é reduzido de uma forma semelhante aos péptidos Aß1-x após inibição da BACE. Comparação entre péptidos full-length (Aß1-x) e N-truncados (Aßx-37/38/40/42) após inibição da BACE em LCR humano mostrou que ambos eram reduzidos de forma semelhante. No entanto, comparação dos mesmos péptidos em sobrenadante celular demonstrou que os péptidos fulllength estavam significativamente mais reduzidos que os N-truncados. Com base nos nossos resultados, sugerimos que esta diferença se deve aos diferentes ratios entre Aß full-length/ Aß N-truncado nestes modelos. Estes resultados salientam a necessidade de estudar diferentes fragmentos de Aß quando se avalia os efeitos de novos candidatos terapêuticos, e que os resultados devem ser validados em diferentes modelos. Adicionalmente, os nossos resultados destacaram o aumento da capacidade diagnóstica quando se compara Aß1-42 com outros péptidos, como Aß1-37, Aß1-38 ou Aß1-40, em vez de usar Aß1-42 isolado. Este resultado foi independente do tipo de amostra estudada (LCR simples ou LCR enriquecido por Cromatografia Liquida de Alta Eficiência (CLAE)). No geral este projeto amplificou e cimentou os conhecimentos existentes sobre biomarcadores da amiloide e da forma como estes respondem a determinadas terapias. No futuro estes conhecimentos serão úteis para o desenvolvimento de novas terapias que modifiquem o curso da doença de Alzheimer.

Alzheimer’s disease (AD) is the most common form of dementia worldwide, affecting over 35 million people and accounting for two thirds of the dementia patients. Unfortunately, despite intensive research, only symptomatic treatments are currently available. Substantial genetic, pathological and pharmacological evidence supports the amyloid cascade hypothesis, in which amyloid ß (Aß) takes the central role in initiating the disease. This peptide can be truncated at both ends, resulting in a variety of Aß species. Due to its central role in AD pathogenesis, disease-modifying strategies targeting the Aß peptide are of major interest. With the growing search for possible AD treatments, the availability of proper tools to evaluate the safety and efficacy of the therapeutic candidates is crucial, and cerebrospinal fluid (CSF) biomarkers have become increasingly helpful in that task. The majority of published studies focus on full length Aß (Aß1-x) species as the main CSF biomarkers for target engagement, but there is a need to additionally investigate treatment effects on N-truncated Aß species, which could also contribute to AD pathogenesis. In this project, we monitored the effects of various classes of experimental drugs (BACE1 inhibitors, γ-secretase inhibitors and γ-secretase modulators) on different Aß species (Aß137/38/40/42/x, AßX-37/38/40/42, Aß11-x). Biomarker levels were measured after treatment in preclinical and clinical samples (cell culture supernatant and CSF of beagle dogs and human healthy volunteers) to assess possible variability across models and species. Additionally, we investigated the effect of matrix interference on Aß1-42 measurements, and compared the diagnostic value of individual Aß peptides with peptide ratios. Our results showed that Aß11-x levels – a product of alternative BACE1 cleavage – were reduced similarly to Aß1-x upon BACE inhibition. Comparison of full-length (Aß1-x) and N-truncated (Aßx37/38/40/42) species reduction profiles after BACE inhibitor treatment revealed that in human CSF both species were similarly reduced. However, in human neuroblastoma cell supernatant Ntruncated Aß forms were less reduced than full-length species. We suggest that this differential effect is a result of distinct full-length/N-truncated Aß ratios in the different models. These results highlight the need to study several Aß species when monitoring the effects of novel Aßtargeting experimental drugs, and that results should be validated across different models. Additionally, our results emphasized the increased diagnostic value of the ratio of Aß1-42 with other Aß peptides, such as Aß1-37, Aß1-38 or Aß1-40, as compared to the use of Aß1-42 by itself. This effect was independent of the sample type (crude CSF or HPLC-enriched CSF). Overall this project provided some interesting insights into how several amyloid ß biomarkers respond to disease-modifying therapies, and such results will be useful for the future development of amyloid-targeted therapies.