Imaging and Reversibility of Cellular and Network Metabolic Dysfunction in Alzheimer's Disease

阿尔茨海默病细胞和网络代谢功能障碍的成像和可逆性

基本信息

  • 批准号:
    10536491
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 224.48万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2022
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2022-08-01 至 2025-07-31
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

PROJECT SUMMARY In Alzheimer’s disease (AD), Aβ accumulation and plaque formation precedes dementia by decades, suggesting that other downstream pathophysiological processes are responsible for precipitating symptomatic disease. Prior studies in humans reveal that brain metabolism is impaired in early AD, including an initial regional energy deficit with a superimposed, marked metabolic shift away from whole-brain and regional glycolysis. However, it is not yet clear how amyloid-induced metabolic dysfunction manifests at the cellular level and affects different cell types, how cellular metabolic dysfunction relates to tissue energy deficit and disruption of functional brain organization, and if and when this might be reversible. These questions have been difficult to answer due to technical challenges in spatiotemporally assessing cell type-specific mitochondrial function and energy metabolism, along with plaque deposition, at the microscopic and mesoscopic levels in vivo. Our central hypothesis is that plaque deposition induces metabolic dysfunction localized to specific cell types and/or cellular components. We further hypothesize that specific cellular changes in metabolic dysfunction differentially affect metabolism at the tissue level and functional brain organization at the regional and global levels. To test these hypotheses, our team has developed several technologies in mice including two-photon fluorescence lifetime imaging microscopy (TP-FLIM), multi-parametric photoacoustic microscopy (PAM), and wide-field optical imaging (WFOI). We will use these methods to measure concentrations of nicotinamide adenine dinucleotide (NADH), flavin adenine dinucleotide (FAD), cerebral metabolic rate of oxygen (CMRO2), and neural and hemodynamic activity. In addition to indicating overall mitochondrial activity, the ratio of NADH to FAD (N/F ratio) provides an optically-accessible index of metabolic shifts towards or away from glycolysis in vivo, a key early aspect of AD-related metabolic dysfunction. Since brain amyloid clearance is now readily achievable in both mice and humans, our approach will further allow us to determine whether the metabolic dysfunctions discovered from the efforts above are reduced following amyloid clearance. In the project, we aim to (Aim 1) determine the in vivo relationship between amyloid plaque deposition and cellular N/F ratio in AD mice at the microscopic level using TP-FLIM; (Aim 2) determine how amyloid plaque deposition and cellular metabolic dysfunction affect regional and global measures of tissue metabolism and functional brain organization using PAM and WFOI; and (Aim 3) determine whether amyloid plaque clearance reverses the metabolic abnormalities identified in Aims 1 and 2. Understanding the spatiotemporal relationship between Aβ accumulation, metabolic dysfunction, and functional brain organization from the cellular to systems level will be critical to revealing the mechanisms by which amyloid deposition affects downstream processes, and ultimately lead to neurodegeneration and symptomatic AD. Moreover, our study will reveal whether the metabolic dysfunction in AD is reversible or not.
项目摘要 在阿尔茨海默氏病(AD)中,Aβ的积累和牙菌斑的形成在痴呆症之前数十年,这表明 其他下游的病理生理过程是导致症状性疾病的原因。事先的 人类的研究表明,大脑代谢在早期的AD中受到损害,包括最初的区域能源防御 叠加,明显的代谢转移,远离全脑和区域糖酵解。但是,不是 然而,清楚淀粉样蛋白诱导的代谢功能障碍如何在细胞水平上表现出来并影响不同的细胞 类型,细胞代谢功能障碍与组织能量不足和功能性大脑的破坏之间的关系 组织,以及何时可能可逆。这些问题很难回答 空间评估细胞类型特异性线粒体功能和能量的技术挑战 代谢,以及斑块沉积,在体内显微镜和介绍水平。我们的中心 假设是斑块沉积会诱导定位于特定细胞类型和/或细胞的代谢功能障碍 成分。我们进一步假设代谢功能障碍的特定细胞变化会差异影响 在区域和全球水平的组织水平和功能性脑组织的代谢。测试这些 假设,我们的团队已经在小鼠中开发了几种技术,包括两光子荧光寿命 成像显微镜(TP-FLIM),多参数光声学显微镜(PAM)和宽场光学 成像(WFOI)。我们将使用这些方法测量烟酰胺腺嘌呤二核苷酸的浓度 (NADH),黄素腺嘌呤二核苷酸(FAD),氧气(CMRO2)和神经和神经和神经的代谢率 血液动力学活性。除了指示总线粒体活性外,NADH与FAD的比率(N/F比) 提供了一个可将代谢转移向或远离糖酵解体内的可访问的指数,这是一个较早的关键 与广告相关的代谢功能障碍的方面。由于脑淀粉样蛋白清除现在很容易实现 老鼠和人类,我们的方法将进一步确定是否发现了代谢功能障碍 淀粉样蛋白清除后,从上面的努力减少了。在项目中,我们的目标是(目标1)确定 在微观水平的AD小鼠中,淀粉样菌斑沉积与细胞N/F比之间的体内关系 使用tp-flim; (AIM 2)确定淀粉样斑块沉积和细胞代谢功能障碍如何影响 使用PAM和WFOI的组织代谢和功能性脑组织的区域和全球衡量;和 (目标3)确定淀粉样淀粉菌斑清除是否会逆转目标1中确定的代谢异常 2。了解Aβ积累,代谢功能障碍和 从细胞到系统级别的功能性脑组织对于揭示机制至关重要 淀粉样蛋白沉积会影响下游过程,并最终导致神经变性和 有症状的广告。此外,我们的研究将揭示AD中的代谢功能障碍是否可逆。

项目成果

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