The Influence of (-)-Δ9-trans- Tetrahydrocannabinol and Cannabidiol on the pathology in the Alzheimer's Disease Mouse model 5XFAD

Zielsetzung der vorliegenden Arbeit war es, den therapeutischen Einfluss von THC und CBD hinsichtlich Verhaltensänderungen, Amyloid-Plaque-Pathologie, Neuroinflammation und CB1-Rezeptorexpression anhand eines Mausmodells der familiären Form des Morbus Alzheimer zu untersuchen. Da beide Geschlechter unterschiedlich schnell die alzheimertypischen Pathologien ausbildeten, wurden die männlichen Tiere mit CBD behandelt und mit einer männlichen vehikelbehandelten Kontrollgruppe verglichen, während die mit THC behandelten weiblichen Tiere im Vergleich mit einer weiblichen vehikelbehandelten Kontrollgruppe untersucht wurden. Mithilfe von etablierten Verhaltenstests wurden die Motorik und das Angst- und Lernverhalten der Tiere erforscht. Außerdem wurde das Gewicht überwacht. Dies zeigte sich in allen Behandlungsgruppen konstant. Das Verhalten der männlichen 5XFAD-Mäuse wurde von CBD nicht beeinflusst, sodass unabhängig von der Behandlung ein intaktes Lern- und Angstverhalten vorlag. Eine THC-Behandlung von weiblichen 5XFAD-Mäusen rief diverse Verhaltensänderungen hervor. Neben einem funktionierenden räumlichen Bezugsgedächtnis der weiblichen 5XFAD-Mäusen im MWM nach THC-Behandlung, offenbarten die Tiere ein normalisiertes Angstverhalten im EPM, das dem Niveau gesunder WT-Mäuse glich. Mithilfe von GFAP, dem Markerproteins für Astrozyten und IBA1, einem Marker für Mikroglia, wurden neuroinflammatorische Effekte der Substanzen untersucht. Es zeigte sich eine signfikante Reduktion von IBA1 im Cortex weiblicher 5XFAD-Mäuse nach THC-Gabe sowie im Hippocampus männlicher 5XFAD-Mäuse nach CBD-Gabe. Die Expression des Astrozytenmarkers GFAP war im Cortex von weiblichen THC- behandelten 5XFAD-Mäusen erhöht. Eine gesteigerte Astrozytose bestand ebenfalls im Hippocampus von männlichen CBD-behandelten Tieren. Inwieweit die beschriebenen Effekte im Zusammenhang mit dem beobachteten reduzierten Abeta Plaqueload im Hippocampus und Cortex nach THC- und CBD-Gabe stehen, bleibt aufgrund ungeklärter molekularer Mechanismen offen. Dennoch verspricht deren Erforschung großes Potential. Des Weiteren wurde die CB1-Rezeptorexpression im Bereich von Hippocampus und Cortex untersucht. Hierbei zeigte sich eindrücklich die Herabregulation des CB1-Rezeptors in beiden Hirnregionen von weiblichen THC-behandelten 5XFAD-Mäusen. Nach CBD- Gabe blieb die Expression des CB1-Rezeptors unverändert. Die Veränderungen in der Expression des CB1-Rezeptors sowie der Inflammationsmarker GFAP und IBA1 weisen darauf hin, dass sich das Gehirn der an Alzheimer erkrankten Mäuse durch die Behandlung mit THC und CBD funktionell verändert. In der Zusammenschau aller durchgeführten Versuche konnte gezeigt werden, dass insbesondere THC einen modulierenden Einfluss auf das Verhalten und auf molekulare Veränderungen im 5XFAD-Mausmodell hatte. Das ECS dient als physiologisches Regulationssystem der Erhaltung der Homöostase des Nervensystems und spielt eine bedeutende Rolle in der Entstehung neurodegenerativer Erkrankungen wie der Alzheimer-Krankheit. Insgesamt konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, dass die Modulation des ECS durch Cannabinoide eine vielversprechende Therapie der Alzheimer-Krankheit darstellen könnte. Die genaue Wirkungsweise von Cannabinoiden ist noch nicht erforscht, dennoch bestätigt sich aufgrund der vorgelegten Arbeit die Eignung von THC und CBD an die Zielstrukturen des ECS anzubinden. Somit könnten die Wirkstoffe als ein vielversprechendes Therapeutikum dienen.The aim of the present work was to investigate the therapeutic influence of THC and CBD regarding behavioral changes, amyloid plaque pathology, neuroinflammation and CB1 receptor expression using the common Alzheimer’s Disease mouse model 5XFAD. Adult 5XFAD mice were injected daily intraperitoneally with 20 mg/kg THC, CBD or a vehicle solution for 6 weeks starting at and age of five months. In respect to the gender-dependent development regarding the typical pathology of Alzheimer's Disease, male animals were treated with CBD and compared with a male vehicle-treated control group, while the female animals were treated with THC and compared to a female vehicle-treated control group. To investigate the behavioral profile of THC and CBD, a battery of behavioral tests, including motor, anxiety, and memory tests was employed. Additionally, weight was monitored and shown to be constant in all treatment groups. The behavior of the male 5XFAD mice was not influenced by CBD, indicating that learning and fear-associated behavior remained intact regardless of the treatment. THC-treatment of female 5XFAD mice caused various changes in behavior compared to their control group. In addition to a functioning spatial reference memory of the female 5XFAD mice in the Morris Water Maze after THC treatment, the animals revealed a normalized fear behavior in the EPM, similar to the level of healthy WT mice. Using GFAP as a marker for astrocytes, and IBA1 as a marker for Microglia the neuroinflammatory properties of the substances was investigated. A significant reduction of IBA1 in cortical regions of female 5XFAD-mice as well as in hippocampal regions of male 5XFAD-mice was shown in consequence to the treatment with THC and CBD, respectively. Cortical GFAP-expression was enhanced in female, THC-treated 5XFAD mice, this effect was also observed in the Hippocampus of male CBD-treated mice. The question, whether there is an underlying causal relationship between these findings and the also observed reduced Abeta-plaqueload remains unanswered, as the molecular mechanisms of said changes are not yet sufficiently explored. However, the results of this thesis work provide a promising basis for further scientific explorations in this regard. Furthermore, the expression of the CB-1 receptor, a membrane-bound receptor for both, THC and CBD, was measured in cortical regions as well as the Hippocampus. In all regions investigated, a downregulation of the receptor was shown in female THC-treated 5XFAD-mice. The receptor expression as unaltered following CBD-treatment. Viewed in combination with the results regarding GFAP and IBA1, the present work hints functional changes in the brains of 5XFAD-mice following the treatment with CBD or THC. The endocannabinoid system (ECS) is a physiological regulation system regarding the homeostasis of the nervous system, it was shown to have an important role in the pathogenesis of neurodegenerative diseases such as Alzheimer’s Disease. Summarizing, this thesis highlighted, that the modulation of the ECS through cannabinoids such as THC and CBD may present a promising option regarding the treatment of Alzheimer’s Disease. Although the underlying molecular mechanisms of action remain unexplored, the data presented confirms the suitability of THC and CBD to bind to target structures of the ECS. This highlights their potential as clinical therapeutics for the investigated disease.2021-12-2