Der Weg zum Fortschritt präklinischer Studien zu altersbedingten neurodegenerativen Erkrankungen: Eine Perspektive auf Nagetier- und HiPSC-abgeleitete Modelle Teil 1

Die Alzheimer-Krankheit (AD) und die Parkinson-Krankheit (PD) sind die beiden häufigsten altersbedingten neurodegenerativen Erkrankungen, für die es trotz jahrzehntelanger klinischer Studien derzeit keine wirksamen klinischen Behandlungen gibt.

Die Parkinson-Krankheit ist eine chronische, fortschreitende neurologische Erkrankung, die typischerweise die Muskelbewegung und -kontrolle beeinträchtigt. Studien haben jedoch gezeigt, dass PD-Patienten typischerweise keine allgemeine kognitive Beeinträchtigung haben, was bedeutet, dass das Gedächtnis normalerweise nicht beeinträchtigt ist.

Viele PD-Patienten hinterlassen detaillierte Aufzeichnungen und tatsächliche Erfahrungen aus ihrer Vergangenheit, was darauf hindeutet, dass sie über ein gutes Langzeitgedächtnis verfügen. Darüber hinaus haben einige Studien auch gezeigt, dass PD-Patienten bei bestimmten spezifischen Gedächtnisaufgaben, wie dem Langzeitgedächtnis, dem verbalen Gedächtnis sowie der räumlichen und zeitlichen Orientierung, möglicherweise bessere Leistungen erbringen. Dies liegt daran, dass PD-Patienten in der Regel fokussierter sind und sich mehr auf Details konzentrieren.

Das soll nicht heißen, dass PD-Patienten überhaupt keine Gedächtnisprobleme haben. In einigen Fällen haben sie möglicherweise leicht unterschiedliche Probleme mit der Aufmerksamkeit und dem Gedächtnis. Beispielsweise können sie bei der Verarbeitung großer Informationsmengen eine größere Ablenkbarkeit zeigen, was das Gedächtnis und das Lernen schwieriger macht. Darüber hinaus kann es bei einigen Parkinson-Patienten aufgrund emotionaler Probleme oder komplexer Aufgaben zu Problemen mit dem Kurzzeitgedächtnis kommen.

Dies bedeutet jedoch nicht, dass Parkinson zwangsläufig zu Gedächtnisverlust führt. Parkinson-Patienten können ihr Gedächtnis und ihre kognitiven Fähigkeiten weiterhin aufrechterhalten, wenn sie rechtzeitig und angemessen behandelt und unterstützt werden. Dazu gehört die Zusammenarbeit mit Familienangehörigen und medizinischen Fachkräften, um Medikamente zu erhalten, sowie neurologische Gesundheitsfürsorgetechniken wie Entspannungs- und Atemtechniken, um emotionale Probleme zu lindern und dadurch Aufmerksamkeit und Gedächtnis zu verbessern.

Deshalb sollten wir Parkinson-Patienten dazu ermutigen, mit ihren Mitmenschen zu interagieren, Erfahrungen auszutauschen, Gedächtnistechniken zu üben und sie dabei zu unterstützen, aktiv an der Behandlung und Aufrechterhaltung einer guten körperlichen und geistigen Gesundheit zu arbeiten. Auch wenn die Parkinson-Krankheit für Patienten eine Herausforderung darstellt, glauben wir dennoch, dass sie durch starke Willenskraft und wertvolle Unterstützung eine positive und selbstbewusste Einstellung bewahren, die Herausforderungen des Lebens meistern und weiterhin die Schönheit des Lebens genießen können. Es ist ersichtlich, dass wir das Gedächtnis verbessern müssen, und Cistanche kann das Gedächtnis erheblich verbessern, da Cistanche ein traditionelles chinesisches Arzneimittel mit vielen einzigartigen Wirkungen ist, darunter die Verbesserung des Gedächtnisses. Die Wirksamkeit von Cistanche beruht auf den verschiedenen darin enthaltenen Wirkstoffen, darunter Gerbsäure, Polysaccharide, Flavonoidglykoside usw., die die Gesundheit des Gehirns auf vielfältige Weise fördern können.

Klicken Sie auf Möglichkeiten zur Verbesserung des Gedächtnisses kennen

Das Versäumnis, präklinische Erkenntnisse in wirksame Behandlungen umzusetzen, weist auf ein Problem in der aktuellen Evaluierungspipeline für potenzielle Therapeutika hin. Derzeit gibt es keine nützlichen Tiermodelle für die AD- und PD-Forschung, die die gesamte Biologie der Krankheiten widerspiegeln, insbesondere der häufigeren nicht-Mendelschen Formen.

Während auf dem Gebiet weiterhin nach geeigneten Nagetiermodellen für die Erforschung möglicher Therapeutika für diese Krankheiten gesucht wird, werden Nagetiermodelle immer noch hauptsächlich für präklinische Studien verwendet.

Hier plädieren wir für einen Paradigmenwechsel hin zur Anwendung von aus humanen induzierten pluripotenten Stammzellen (hiPSC) abgeleiteten Systemen für die PD- und AD-Modellierung und die Entwicklung verbesserter humanbasierter Modelle in einer Schüssel für die Arzneimittelentdeckung und die präklinische Bewertung therapeutischer Ziele.

Die Belastung durch die Alzheimer-Krankheit (AD) und die Parkinson-Krankheit (PD)

AD und PD sind altersbedingte neurodegenerative Erkrankungen (NDDs), die durch pathologische Merkmale einer chronischen Neurodegeneration und Proteinaggregationen gekennzeichnet sind.

AD und Parkinson sind die beiden am weitesten verbreiteten altersbedingten NDDs weltweit und betreffen schätzungsweise 29,8 Millionen Menschen1 bzw. 6,2 Millionen Menschen weltweit.2 Das Alter ist einer der wichtigsten Risikofaktoren für AD und Parkinson. Globale Schätzungen zeigen, dass sich die AD-Inzidenzrate jedes Jahr verdoppelt 5 Jahre bis zum Alter von 65 Jahren und steigt dann exponentiell bis zum Alter von 85,3 an. Dieser Trend zwischen zunehmendem Alter und steigenden Inzidenzraten wird in ähnlicher Weise bei PD.4 beobachtet

Darüber hinaus wird angesichts der rasch wachsenden älteren Bevölkerung die weltweite Inzidenzrate dieser Krankheiten in den nächsten drei Jahrzehnten voraussichtlich dramatisch ansteigen, wobei allein in den Vereinigten Staaten bis 2050 schätzungsweise fast 14 Millionen AD-Fälle auftreten werden.5

Aufgrund der chronischen Natur dieser Krankheiten und des derzeitigen Mangels an wirksamen Behandlungsmöglichkeiten bleiben bei Patienten häufig schwächende Symptome zurück, die eine kontinuierliche Pflege erfordern.

Diese Krankheiten stellen nicht nur eine erhebliche wirtschaftliche Belastung dar, sondern stellen auch eine erhebliche Belastung für die Gesundheitsinfrastruktur dar. Im Jahr 2019 wurden die Gesamtkosten für die lebenslange Pflege eines alleinstehenden Patienten mit Demenz auf 357 $ geschätzt,000, und die jährlichen Gesamtzahlungen für die Langzeitpflege wurden auf 244 Milliarden US-Dollar geschätzt, wobei die Kosten voraussichtlich auf 244 Milliarden US-Dollar steigen werden 1,1 Billionen US-Dollar bis 2050.6 Globale Prognosen deuten darauf hin, dass die Inzidenzraten weiter steigen werden und möglicherweise die bestehende Gesundheitsinfrastruktur zu überfordern droht.7

Dieses Problem wird durch den derzeitigen Mangel an klinisch wirksamen krankheitsmodifizierenden Therapeutika (DMTs) verschärft. Die Entwicklung von DMTs erfordert einen Fortschritt in unserem Verständnis der zugrunde liegenden pathogenen Mechanismen und der ursächlichen Faktoren von AD und Parkinson.

Künftige Erkenntnisse aus der grundlagenwissenschaftlichen AD- und PD-Forschung können möglicherweise in die Entdeckung von DMTs einfließen und klinische Studien erleichtern.

Der aktuelle Stand der AD- und PD-Behandlung

Die derzeitigen „Goldstandard“-Behandlungen zielen eher auf eine Verbesserung der Symptombewältigung als auf kurative Behandlungen der Grunderkrankung ab. Bisher sind nur fünf von der US-amerikanischen Food and Drug Administration (FDA) zugelassene Medikamente gegen AD verfügbar, darunter vier Cholinesterasehemmer (Rivastigmin, Tacrin, Galantamin und Donepezil) und das fünfte ein N-Methyl-D-Aspartat (NMDA)-Rezeptorantagonist (Memantin).8

Darüber hinaus zielen die für die Parkinson-Krankheit verfügbaren Therapeutika darauf ab, die Neurotransmitter Dopamin (DA) oder Katecholamin künstlich auf physiologische Werte zu bringen, ohne die Degeneration dieser Neuronentypen tatsächlich zu behandeln oder zu verhindern.

Zu den von der FDA zugelassenen PD-Behandlungen gehören DA-Vorläufer (Levodopa[L-DOPA]), DA-Agonisten (Rotigotin und Ropinirol), Catechol-Omethyltransferase (COMT)-Hemmer (Entacapon) und Monoaminoxidase B (MAOB)-Hemmer (Selegilin und Rasagilin).9

Während diese Wirkstoffe den Patienten möglicherweise eine gewisse vorübergehende Linderung verschaffen, sind sie nur bei einer Untergruppe der Patienten wirksam, verlieren mit der Zeit an Wirksamkeit und tragen, was vielleicht am wichtigsten ist, nicht dazu bei, das Fortschreiten der Krankheit zu verlangsamen oder aufzuhalten.10

Im Gegensatz dazu rücken Medikamente in der Entwicklung, die darauf abzielen, die pathologischen Prozesse, die zu AD oder PD führen, zu modifizieren und auf die zugrunde liegenden pathogenen Mechanismen der Krankheiten (d. h. DMTs) einzuwirken, zunehmend in den Fokus der Forschung und stellen einen äußerst attraktiven therapeutischen Weg dar.

Trotz jahrelanger umfangreicher Forschung zur Entwicklung von DMTs für AD und Parkinson gibt es derzeit keine klinisch wirksamen Behandlungen, die den Ausbruch dieser Krankheiten verhindern oder verzögern oder ihr Fortschreiten stoppen können.11,12

Bisher wurden über 1,{1}} mutmaßliche Therapeutika in klinischen Studien bewertet, wobei über 99 % der Wirkstoffe in 413 klinischen Studien zwischen 2002 und 2012 bewertet wurden, was zu unbefriedigenden Ergebnissen führte.8 Diese hohe Misserfolgsrate spiegelt die Lücken im Verständnis der Ätiologie von wider Diese Erkrankungen weisen auch auf die Verwendung ungeeigneter Krankheitsmodelle im präklinischen Proof-of-Concept-Stadium hin.

Letzteres unterstreicht die Notwendigkeit, das Design präklinischer Studien zu überarbeiten und die Krankheitsmodelle, die bei der Untersuchung neuartiger Therapeutika verwendet werden, zu verbessern, hin zu einem Modellsystem, das entscheidende Aspekte der zugrunde liegenden molekularen Prozesse von PD und AD vollständig oder zumindest besser wiedergibt.

Rückschläge in klinischen AD- und PD-Studien: Lehren aus Aducanumab

Die extrem hohe Misserfolgsrate von DMT, die für NDDs entwickelt wurde, insbesondere solche, die auf AD und Parkinson abzielen, steht in klarem Kontrast zu anderen Krankheiten (z. B. Krebs), wobei fast die Hälfte der getesteten Therapeutika, die für Krebserkrankungen entwickelt wurden, bei Patienten einen Nutzen zeigten (https:/ /clinicaltrials.gov/).

Obwohl dieses Versagen auf viele Aspekte der Medikamentenentwicklungspipeline für diese Krankheiten zurückgeführt wird, ist es in erster Linie auf ein mangelndes Verständnis der biologischen Prozesse zurückzuführen, die zu diesen Krankheiten führen, was die Zielidentifizierung grundlegend verfälschen kann.

Beispielsweise zielten die meisten klinischen AD-Studien darauf ab, die Menge an Beta-Amyloid (Ab)-Aggregaten und -Plaques zu senken, indem Medikamente eingesetzt wurden, die die Produktion und Aggregation von Ab reduzieren und/oder seine Clearance verbessern. Bedauerlicherweise gelang es solchen Versuchen immer wieder nicht, die Krankheitsphänotypen zu retten, und viele Forscher und Geldgeber erkennen nun an, dass der Schwerpunkt auf andere potenzielle Schuldige verlagert werden muss. Unzulänglichkeiten bei präklinischen Krankheitsmodellen, insbesondere bei den derzeit vorherrschenden Tiermodellen, haben eine wichtige Rolle bei der Verbreitung irreführender mutmaßlicher Wirksamkeits- und Sicherheitsergebnisse in den präklinischen Untersuchungen dieser Medikamente gespielt.

Dies lässt sich vielleicht am besten am auf Antikörpern basierenden, zielgerichteten Antikörper Aducanumab veranschaulichen, der von Biogen mithilfe der proprietären Reverse Translational Medicine-Plattform von Neurimmune entwickelt wurde und bis vor kurzem der vielversprechendste Medikamentenkandidat für AD war (Tabelle S1).

Aducanumab führte zu einer erheblichen Verringerung der Anzahl von Amyloid-Plaques im Gehirn von transgenen (Tg) AD-Mäusen und verbesserte klinische Ergebnisse (Positronenemissionstomographie-Scans für Amyloid nach einem Jahr, neuropsychiatrische Untersuchungen, vierteljährliche MRT-Überwachung und Flüssigkeitsbiomarker).13

Die Leistung von Aducanumab war so vielversprechend, insbesondere hinsichtlich seiner Fähigkeit, Amyloid zu reduzieren, dass Biogen parallel zwei klinische Phase-3-Studien (EMERGE und ENGAGE) durchführte, während die präklinischen und frühen klinischen Studien liefen. Daher waren viele Patienten, Forscher und Pharmaverantwortliche sehr enttäuscht, als es in den EMERGE- und ENGAGE-Studien im Jahr 2019 nicht gelang, seine therapeutische Wirksamkeit aufrechtzuerhalten. Darüber hinaus zeigte sich, dass Ab wahrscheinlich kein klinisch relevantes therapeutisches Ziel für die Schaffung eines wirksamen DMT für AD ist.

Dennoch behauptet Biogen, dass die EMERGE-Studie einige positive Vorteile gebracht habe, was das Unternehmen dazu veranlasste, im Juli 2020 die behördliche Zulassung für Aducanumab in den Vereinigten Staaten zu beantragen.

Verschiedene zusätzliche Therapeutika, die auf die Reduzierung von AB abzielen, führten ebenfalls immer wieder zu keinen positiven klinischen Ergebnissen. Im Jahr 2016 gelang es Eli Lillys Anti-Ab-Antikörpermedikament Solanezumab in einer Phase-3-Studie mit 2.100 Patienten nicht, die Vorteile eines Placebos zu übertreffen (Tabelle S1).

Der Arzneimittelriese Merck verfolgte einen anderen Ansatz zur Bekämpfung von Antikörpern bei Menschen mit spät einsetzender AD (LOAD), indem er mit dem Inhibitor Verubecestat (MK8931) auf das Enzym β-Sekretase 1 (BACE) abzielte.

Nach erfolgreichen präklinischen und klinischen Phase-1-Studien begann Merck 2012 mit einer Phase-2/3-Studie mit MK-8931, um die Studie Ende 2019 abzuschließen. Dennoch brach Merck diese Studie Anfang 2017 endgültig ab, nachdem eine unabhängige Studie ergab, dass sie „ „praktisch keine Chance“ zu wirken, und ein zweiter Versuch zur Behandlung früherer AD-Stadien wurde ebenfalls Anfang 2018 abgebrochen. Im Jahr 2014 gaben AstraZeneca und Eli Lilly eine Vereinbarung zur gemeinsamen Entwicklung von Lanabecestat (AZD3293) bekannt, einem oralen BACE-Hemmer.

Nach sehr vielversprechenden präklinischen und klinischen Phase-1-Studien begann Ende 2014 eine klinische Phase-2/3-Studie mit Lanabecestat, wurde jedoch Ende 2018 vor ihrem geplanten Abschluss aufgrund ähnlich ineffektiver klinischer Ergebnisse gestoppt.

Der BACE-Hemmer Atabecestat von Johnson & Johnson, der den kognitiven Verfall bei Menschen mit AD-Risiko verlangsamen soll, wurde 2018 ebenfalls eingestellt, als die Leberenzyme bei Studienteilnehmern anstiegen, eine unbeabsichtigte Nebenwirkung. 557 Teilnehmer dieser Studie werden noch immer im Rahmen einer Sicherheitsnachuntersuchung verfolgt.

Darüber hinaus können BACE-Hemmer eine erhebliche Nebenwirkung im Zusammenhang mit einer beeinträchtigten motorischen Koordination haben, da BACE-Enzyme, insbesondere BACE1, für die ordnungsgemäße Funktion der Muskelspindeln notwendig sind.

Dennoch zeigen BACE1knockout-Mäuse keine pathologischen Folgen und sind vollkommen gesund. Bemerkenswert ist jedoch der Vorbehalt, dass alle Anti-Ab-Therapien umfassend an Patientenpopulationen getestet wurden, die an sporadischer AD (sAD) und LOAD leiden, und dass noch keine therapeutischen Studien bei Patienten mit den selteneren, früh einsetzenden, familiären Formen durchgeführt wurden.

Darüber hinaus können Probleme wie schlechtes Studiendesign, falsches LOAD-Stadium, das einem bestimmten Arzneimittel zugeordnet ist, begrenzte statistische Aussagekraft von Endpunktmessungen und die Einbeziehung nicht teilnahmeberechtigter Teilnehmer möglicherweise zu den Misserfolgen im Zusammenhang mit klinischen LOAD-Studien beitragen.14 Viele dieser Vorbehalte könnten durch andere Verbesserungen umgangen werden unzureichende und/oder unvollständige präklinische Bewertung mutmaßlicher DMTs.

Obwohl eine erfolgreiche Arzneimittelentwicklung für Erkrankungen des AD-PD-Spektrums zweifellos durch ein derzeitiges mangelndes Verständnis der Ursachen und frühen Prozesse, die zum Ausbruch der Krankheit führen, behindert wird, konzentriert sich dieser Aufsatz auf die Mängel präklinischer Forschungsstudien im Kontext von Krankheitsmodellsystemen. \

Wir geben einen Überblick über aktuelle In-vitro- und In-vivo-Systeme zur Modellierung von AD und PD in präklinischen Studien, beleuchten deren Vorteile und Grenzen und diskutieren den Bedarf an verbesserten Modellen für die Entwicklung erfolgreicher DMTs.

Im Einklang mit dieser Perspektive plädiert dieser Review für einen sorgfältigen und durchdachten Übergang weg von Tiermodellen altersbedingter NDDs und hin zu Modellen auf Basis humaninduzierter pluripotenter Stammzellen (hiPSC), um präklinische Studien mit verbesserter Vorhersagevalidität für zukünftige DMTs zu ermöglichen. Abschließend geben wir eine aktualisierte Bewertung der aktuellen hiPSC-Technologien und untersuchen zukünftige Richtungen von hiPSC-Modellen.

In-vivo-Modelle: Der aktuelle Stand der PD- und AD-TiermodelleEin Überblick über In-vivo-Modellierungsansätze

Bei der Untersuchung von AD und PD wurde eine Vielzahl von Modellorganismen eingesetzt, von einfachen Wirbellosen wie C. elegans bis hin zu Säugetieren höherer Ordnung wie nichtmenschlichen Primaten.9,15

Einfache Wirbeltiermodelle stellen einen leistungsstarken Rahmen für die Bewertung neuartiger pharmakologischer und genetischer Interventionsstrategien dar und bieten die Vorteile geringer Kosten und die Möglichkeit, Hunderte potenziell therapeutischer Verbindungen parallel zu testen. Allerdings ist das Nervensystem der Wirbellosen nicht komplex genug, um die bei AD und Parkinson beobachtete regionalspezifische Neurodegeneration zu modellieren, und Wirbellose können keine krankheitsbedingten Verhaltensstörungen zeigen.

Daher werden in der Regel Wirbellose eingesetzt, um die anfängliche Lebensfähigkeit neuartiger Verbindungen zu testen, um auf krankheitsrelevante Signalwege einzuwirken, und diejenigen, die sich als wirksam erwiesen haben, werden für die Sicherheitsprofilierung und Bewertung der therapeutischen Wirksamkeit auf säugetierbasierte Modelle umgestellt.

Die primären Tiermodelle, die in dieser Phase der präklinischen Tests verwendet werden, sind Mäuse und Ratten, und experimentelle Ergebnisse dieser Nagetierstudien dienen häufig als Grundlage für die Bestimmung, ob ein potenzielles Therapeutikum in klinische Studien am Menschen übergehen wird. Trotz jahrzehntelanger potenziell vielversprechender präklinischer Studien an Nagetieren gibt es derzeit keine wirksamen DMTs für AD und Parkinson.

Nagetiere bieten mehrere Möglichkeiten zur Modellierung von NDDs. Am wichtigsten ist, dass Nagetiere vollständige Organismen mit einem alternden Gehirn sind und ihr Nervensystem eine allgemeine hierarchische Organisation aufweist, die der beim Menschen beobachteten ähnelt.

Insbesondere ist das Vorhandensein einer ananatomisch unterschiedlichen Substantia nigra (SN), die DA bereitstellt, um die Funktion eines striatalbasierten motorischen Systems zu unterstützen, für die Modellierung des PD-Verhaltens von wesentlicher Bedeutung,10 wohingegen ein basales, auf dem Vorderhirn basierendes cholinerges System, das Acetylcholin für den Hippocampus (HP) bereitstellt, und Der Kortex zur Unterstützung von Lernen und Gedächtnis ist für die Modellierung von AD unerlässlich.16

Ein weiteres wichtiges Merkmal des Nervensystems von Nagetieren ist die Fähigkeit, die bei AD und PD beobachteten zellulären Pathologien zu manifestieren, nämlich fehlgefaltete Proteinaggregate, die intra- und extrazelluläre Einschlüsse bilden, die zusammen als Proteopathien bezeichnet werden.17

Zusammengenommen macht das Vorhandensein einer analogen neuronalen Architektur und zellulärer Pfade Nagetiere zu einem attraktiven Modell für die Untersuchung krankheitsrelevanter Prozesse im Kontext funktionaler neuronaler Schaltkreise und komplexer Verhaltensweisen. Darüber hinaus bieten Nagetiere im Vergleich zu Säugetieren höherer Ordnung, wie etwa nichtmenschlichen Primaten, mehrere wirtschaftliche und experimentelle Vorteile. Insbesondere sind Nagetierstudien relativ kostengünstiger, haben einen kürzeren Zeitrahmen und erfordern weniger Genehmigungen.

Obwohl sie in der Lage sind, diese anatomischen und pathologischen Merkmale bis zu einem gewissen Grad darzustellen, müssen AD- und PD-Nagetiermodelle, die alle klinischen und pathologischen Merkmale gleichzeitig rekapitulieren, noch entwickelt werden.

Jahrzehntelange Forschung hat gezeigt, dass die Mechanismen, die Krankheitsmerkmale in Nagetiermodellen auslösen, nicht unbedingt mit denen natürlich vorkommender Krankheiten beim Menschen übereinstimmen.18,19

Diese Einschränkung hängt wahrscheinlich mit der Tatsache zusammen, dass Nagetiere nicht lange genug leben, um auf natürliche Weise altersbedingte NDDs zu entwickeln, und dass diese Merkmale daher experimentell in deutlich verkürzten Zeiträumen induziert werden müssen, was sich von der Art und Weise unterscheidet, wie sie sich in menschlichen Populationen manifestieren.

Ebenso sind Labortiere über Jahrzehnte hinweg keinen Umwelteinflüssen ausgesetzt wie Menschen. Auf Nagetieren basierende Modelle für AD und PD können grob in zwei Klassen eingeteilt werden, basierend auf der Methode, die zur Induktion krankheitsbedingter Phänotypen eingesetzt wird: transgene und auf chemischen Toxinen basierende Modelle.

Transgene AD-Modelle

Die Ursache von AD ist kaum bekannt; Bei AD-Patienten werden jedoch durchgängig mehrere pathologische Merkmale beobachtet. Pathologische Merkmale auf molekularer Ebene umfassen extrazelluläre senile Plaques, die aus unlöslichen Ab-Peptiden bestehen, und intraneuronale Neurofibrillenbündel (NFTs), die hauptsächlich aus dem Mikrotubuli-assoziierten Protein Tau bestehen, das hyperphosphoryliert wurde.20,21

Diese zellulären Phänotypen führen zu einem weit verbreiteten neuronalen Verlust in diffusen Hirnregionen, einschließlich HP, Großhirnrinde, Gyrus cinguli, Thalamus, Amygdala, Basalganglien und einigen Teilen des Hirnstamms.22

Der neuronale Tod führt zu kognitiven und Verhaltensbeeinträchtigungen, insbesondere zu Gedächtnisdefiziten. Daher würde ein ideales Tiermodell für AD diese molekularen und zellulären pathologischen Merkmale aufweisen und zu kognitiven Beeinträchtigungen des Gedächtnisses und anderer Verhaltensweisen führen.

Die familiäre oder autosomal-dominante Form der AD resultiert aus Mutationen in den Genen Amyloid-Vorläuferprotein (APP), Presenilin 1 (PSEN1) oder Presenilin 2 (PSEN2), die alle eine Rolle im Metabolismus von Ab spielen Kernbestandteil extrazellulärer Plaques.19

Bisher wurden fast 200 AD-Mausmodelle entwickelt (ALZFORUM Research Models Database; https://www.alzforum.org/researchmodels), wobei die häufigsten Manipulationen auf die APP- oder PSEN1-Gene abzielen.23 Transgene AD-Modelle, die solche Mutationen tragen, bieten Forschern die Möglichkeit, sie zu induzieren klinische Merkmale durch Manipulation von Genen, die mit der familiären Form der Krankheit verbunden sind (Tabelle 1); Allerdings macht diese Form der Alzheimer-Krankheit weniger als 1 % aller klinischen Fälle aus, und das Ausmaß der Beteiligung dieser Gene an der viel häufigeren, sporadischen Form bleibt unklar.24

Die meisten dieser Modelle basieren auf Aspekten der Amyloid-Hypothese mit dem primären Ziel, eine abnormale Akkumulation von Ab-Peptiden zu erzeugen, um die für AD charakteristischen extrazellulären Plaques zu reproduzieren.

Modelle, die auf Punktmutationen und Überexpression von APP oder PSEN basieren, weisen einige Lern- und Gedächtnisdefizite auf, und mehrere Generationen von Modellen zeigten eine Verbesserung der Fähigkeit, die Bildung seniler Plaques zu modellieren (Tabelle 1).

Allerdings kann praktisch keines dieser Modelle die Anhäufung von NFTs reproduzieren, und der Phänotyp der Neurodegeneration ist im Allgemeinen mäßig, mit einem Muster des neuronalen Verlusts, das sich von dem bei AD beobachteten Muster unterscheidet.25–27 Andere Bemühungen zur Generierung transgener AD-Mausmodelle konzentrierten sich auf die menschliche MAPT-Expression , das Gen, das für Tau kodiert, das den Hauptbestandteil von NFTs darstellt.28

Zusammengenommen zeigten diese Modelle, dass die Manipulation des MAPT-Gens die Tau-Hyperphosphorylierung und -Aggregation beschleunigen kann, was zur NFT-Bildung führt, die ein klinisch relevantes Muster neuronalen Verlusts verursacht; Allerdings können diese Modelle die Akkumulation von Ab und die Bildung von Plaques nicht reproduzieren29 (Tabelle 1).

Daher ist es transgenen Modellen, die auf der Manipulation von AD-assoziierten Genen basieren, bisher nicht gelungen, die wichtigsten charakteristischen Merkmale von AD gleichzeitig zu reproduzieren, und ihre Relevanz für sporadische Formen der Krankheit bleibt unklar. Darüber hinaus ist die Relevanz dieser Modelle auch aufgrund der Überexpression der mutierten Transgene begrenzt, die nicht die physiologischen Werte widerspiegelt.

Genomweite Assoziationsstudien (GWAS) haben über 25 verschiedene genetische Loci aufgedeckt, die mit dem Risiko für die Entwicklung von LOAD, der primären sporadischen Form der Krankheit, verbunden sind. Es wurde jedoch festgestellt, dass keines der oben aufgeführten familiären Gene im Zusammenhang mit dem Ab-Metabolismus ein Risiko für die Entwicklung von LOAD darstellt. Apolipoprotein E (APOE) ist der stärkste und am besten reproduzierbare genetische Risikofaktor für LOAD.53

Das APOE-Gen führt zu drei APOE-Allelvarianten: e2, e3 und e4, definiert durch zwei SNPs: rs429358 und rs7412.54 Seit seiner ersten Entdeckung wurde APOE von mehreren Gruppen eingehend untersucht; Allerdings müssen seine tatsächliche Rolle für die Gesundheit und mechanistische Erklärungen für seine abweichende Funktion im Zusammenhang mit AD noch ermittelt werden.

Es wurden mehrere transgene APOE-Modelle entwickelt, um die Wechselwirkung zwischen APOE und autosomal-dominant verknüpften Genen wie APP zu untersuchen (Tabelle 1). Es wurde bereits gezeigt, dass die Einführung von menschlichem APOE die Ablagerung von Ab in transgenen Mäusen verzögert, die familiäre AD (FAD)-Mutationen exprimieren (fAD-Tg-Mäuse), einschließlich 5xfAD-Tg-Mäusen, die das mutierte menschliche Ab(A4)-Vorläuferprotein 695 (APP) mit überexprimieren Schwedische (K670N, M671L), Florida (I716V) und Londoner (V717I) fAD-Mutationen, zusätzlich zu menschlichem PSEN1, das die beiden fAD-Mutationen M146L und L286V.55 enthält

Wichtig ist, dass diese Modelle eine experimentelle Verbindung zwischen APOE und familiären AD-Genen herstellen, indem sie zeigen, dass APOE mehrere Aspekte der Abakkumulation unterschiedlich reguliert.

Die Wechselwirkung zwischen APOE und MAPT war ebenfalls Gegenstand von Untersuchungen, wobei gezeigt wurde, dass das Vorhandensein der APOEε4-Allelvariante die Tau-vermittelte Neurodegeneration in einem transgenen P301S-Tau-Mausmodell erheblich verschlimmert, was zeigt, dass APOE auch unabhängig davon die Tau-Pathogenese und Neurodegeneration beeinflussen kann Ab-Pathologie.37

Insgesamt lässt der historische Fokus der transgenen AD-Modellierung auf autosomal-dominante Formen der Krankheit, die weniger als 1 % der AD-Fälle ausmachen, durch Manipulation familiär verknüpfter Gene ihre Relevanz für die überwiegende Mehrheit der klinischen Patienten unklar.

Insgesamt sind die Hauptprobleme bei aktuellen transgenen AD-Modellen die Anzahl und Komplexität der beteiligten Gene sowie ein Mangel an klarem Verständnis ihrer Rolle in der Krankheitsätiologie, was es schwierig macht, zu wissen, wie oder wann diese Ziele manipuliert werden müssen, um AD-Pathologien originalgetreu zu reproduzieren, was sich widerspiegelt im derzeitigen Versäumnis, ein etabliertes Modell zu entwickeln, das alle charakteristischen klinischen Merkmale der Krankheit, wie sie sich bei menschlichen Patienten manifestieren, gleichzeitig reproduziert.

Viele der transgenen AD-Modelle sind erfolgreich bei der unabhängigen Überexpression von Ab-Peptiden oder Tau-Proteinen und der anschließenden Bildung von senilen Plaques bzw. NFTs, aber bis heute gibt es praktisch keine Modelle, die diese beiden Merkmale parallel reproduzieren können,56 und die beobachteten Muster des Neuronenverlusts geschweige denn originalgetreu wiedergeben und daraus resultierende Verhaltensstörungen.

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