Experimental therapy and cognitive outcomes in a rat transgenic model of Alzheimer disease-like amyloid beta neuropathology

Alzheimer's disease (AD) is the leading cause of dementia worldwide and currently no effective treatment exists. In AD, accumulation of amyloid beta (Aβ) begins decades before cognitive symptoms, progressing from intraneuronal material to extracellular plaque. However, the precise mechanism by which the early buildup of Aβ peptides leads to cognitive dysfunction remains unknown. Using a rat transgenic model of AD, this thesis aims to resolve outstanding issues surrounding the impact of early Aβ accumulation on cognition and evaluate the result of potential therapy using the multi-target drug lithium. Chapter 1 of this thesis serves as a review of the pathophysiological characteristics and genetic risk factors associated with AD. What follows is an overview of the multiple cellular signaling cascades that are dysregulated in AD. The Chapter includes a summary of recent efforts to identify the preclinical phases of the disease. The Chapter discusses the discovery of the clinical effects of lithium, and examines some of the known mechanisms of action of this multi-target drug. Finally, the Chapter ends by summarizing the Aims and Hypotheses of this thesis. In Chapter 2, the impact of the early Aβ accumulation on temporal and frontal lobe dysfunction is investigated. The performance of McGill-R-Thy1-APP transgenic AD rats was compared with wild-type littermate controls on a visual discrimination task using a touchscreen operant platform. The presence of intraneuronal Aβ caused a severe associative learning deficit in the AD rats that coincided with reduced nuclear translocation and genomic occupancy of the CREB co-activator, CRTC1, and decreased production of synaptic plasticity-associated transcripts Arc, c-fos, Egr1, and Bdnf. Thus, blockade of CRTC1-dependent gene expression in the early, pre-plaque phase of AD-like pathology provides a molecular basis for the cognitive deficits that figure so prominently in early AD. Chapter 3 describes the application of a microdose lithium formulation, coded NP03, for the treatment of AD-like Aβ pathology. Lithium has been shown to reduce BACE1 activity, Aβ production, and to promote CRTC1-dependent gene expression and restore cognition. This Chapter presents data showing that NP03 treatment reversed cognitive deficits in Alzheimer transgenic rats, as measured by standard rodent cognitive tasks. Additional data are presented showing that NP03 also significantly reduced the level of toxic Aβ and reduced BACE1 hyperactivity, and restored CRTC1 promoter occupancy in genes required for learning and memory. The anti-oxidative stress and anti-inflammatory properties of NP03 are studied in Chapter 4, where data are presented showing that NP03 treatment significantly reduces the expression of a subset of oxidative stress and pro-inflammatory cytokines, along with reducing microglia recruitment to Aβ-neurons in the hippocampus. It is also demonstrated that NP03 restored adult hippocampal neurogenesis in the dentate gyrus in AD rats. This Chapter ends with the presentation of a hypothetical model that may account for the beneficial effects of NP03 by halting oxidative stress/neuroinflammation contributing to self-perpetuating neurotoxicity. Chapter 5 serves as a general discussion, and as such, situates the findings of this thesis in the broader context of current literature and puts forth a theoretical model for the action of lithium in Alzheimer's disease brains. Also discussed are the experimental therapeutics currently being explored for AD, and an explanation as to why combination therapies will likely be required for the treatment of AD. Finally, the Chapter concludes by suggesting CRTC1 as a potential target for AD therapy and identifies NP03 as a therapeutic candidate for the treatment of early stage Alzheimer's disease.La maladie d'Alzheimer (MA) constitue la première cause de démence au monde et aucun traitement efficace n'existe à ce jour. Dans la MA, l'accumulation de peptides béta-amyloïde (Aβ) peut survenir 10 à 15 ans avant les troubles cognitifs et progresse d'un stade intracellulaire vers un stade de plaques extracellulaires. Cependant et à ce jour, le mécanisme précis par lequel l'accumulation précoce de peptides Aβ entraine les troubles cognitifs reste inconnue. En utilisant un rat transgénique modélisant la MA, ce travail de thèse a pour but de répondre aux questions en suspens ayant trait à l'impact de l'accumulation précoce d'Aβ sur la cognition ainsi que d'évaluer les résultats d'un traitement par le lithium, une molécule à cibles multiples.Le premier Chapitre de cette thèse est une revue des caractéristiques physiopathologiques et des facteurs de risque génétique associés à la MA. S'en suit un aperçu des multiples cascades de signalisation cellulaire qui sont déréglées dans la MA. Ce Chapitre inclue un résumé des récents efforts d'identification des phases précliniques de la maladie. Ce Chapitre traite également de la découverte des effets cliniques du lithium et examine quelques-uns des mécanismes d'action connus de cette molécule à cibles multiples. Enfin, ce Chapitre s'achève sur un résumé des Buts et Hypothèse de cette Thèse. Le Chapitre 2 traite de l'impact de l'accumulation précoce d'Aβ sur le dysfonctionnement des lobes temporaux et frontaux. La performance des rats Alzheimer McGill-R-Thy1-APP dans une tache de discrimination visuelle est comparée à celle des rats contrôles sauvages en utilisant un dispositif « touchscreen operant platform ». La présence intraneuronale d'Aβ entraine un déficit sévère d'apprentissage associé chez le rat Alzheimer, qui coïncide avec une réduction de la translocation nucléaire et de l'occupation génomique du co-activateur du facteur CREB, CRTC1, ainsi qu'avec une réduction dans la production de messagers Arc, c-fos, Egr1 et Bdnf associés à la plasticité synaptique. Ainsi, le blocage de l'expression de gènes dépendant du CRTC1 au cours de la phase précoce pré-plaque de la pathologie amyloïde Alzheimer offre une base moléculaire pour expliquer les déficits cognitifs si proéminents dans la MA précoce. Le Chapitre 3 décrit l'utilisation d'une formulation du lithium à faible dose pour le traitement de la pathologie amyloïde liée à la MA. Il a été démontré que le lithium peut réduire l'activité de BACE1 et la production d'Aβ, promouvoir l'expression de gènes dépendant du CRTC1 et rétablir la cognition. Ce Chapitre présente des résultats démontrant que le traitement par le NP03 annule les déficits cognitifs chez le rat Alzheimer. Des résultats supplémentaires montrent que le NP03 réduit de façon significative le niveau d'Aβ toxique, l'hyperactivité de BACE1 et rétablit l'occupation génomique du promoteur CRTC1 au niveau de gènes requis pour l'apprentissage et la mémoire. Le Chapitre 4 traite des propriétés anti-stress oxidatif et anti-inflammatoires du NP03 et présente des résultats démontrant que le traitement au NP03 diminue de façon significative l'expression d'un sous-groupe de cytokines pro-inflammatoires, tout en réduisant le recrutement de microglies vers les neurones contenant Aβ dans l'hippocampe. NP03 rétablit également la neurogenèse adulte dans le gyrus denté de l'hippocampe des rats Alzheimer. Le Chapitre 5 est une discussion générale. Les thérapies expérimentales actuellement mises en œuvre contre la MA sont abordées, ainsi qu'une explication des raisons pour lesquelles les thérapies combinées seront nécessaires pour traiter la MA. Enfin, ce Chapitre conclue en suggérant que CRTC1 est une cible potentielle dans le traitement de la MA et identifie le NP03 comme un candidat thérapeutique pour la phase précoce de la MA