Detection of prion-like proteins in human olfactory samples collected by nasal swabs

Prion-like proteins are proteins with the capacity to self-propagate via templated misfolding and intercellular dissemination, like prions. These proteins are involved in several neurodegenerative diseases causing neuronal death. To date, detecting these proteins in affected patients is still challenging. Therefore, the need to be able to provide evidence of these causative proteins is urgent. The olfactory neuroepithelium shows the expression pattern of prion-like proteins in patients affected by different neurodegenerative disorders and healthy controls, and it can be harvested using a non-invasive procedure such as a nasal swab. The cell populations composing the human olfactory epithelium, consisting primarily of olfactory sensory neurons, supporting cells and basal cells, are not completely characterized. Thus, the first objective was to describe the samples collected with the nasal swab by immunofluorescence using commercially available antibodies. The second objective was the detection of disease-associated prion-like proteins, such as TDP-43, α-synuclein, huntingtin and the prion protein. For the first time, the expression of pathological forms of these proteins was shown in nasal swab samples of patients with neurodegenerative disorders compared to controls. In parallel, Real-Time Quaking-Induced Conversion (RT-QuIC) assay, an in vitro technique originally developed for prion seeding activity detection, was set up for TDP-43 in olfactory samples, allowing 86% sensitivity in identifying genetic cases of frontotemporal dementia and 70% sensitivity in non-genetic patients. RT-QuIC assay for α-synuclein in the olfactory samples of patients with Parkinson’s disease showed a sensitivity of ~46% in previous studies. Thus, we investigated whether olfactory mucosa sampling from different areas, within the nasal vault, could influence the result. Nasal swabs performed at the agger nasi and the middle turbinate provided a sensitivity of ~80% and ~45%, respectively. A higher representation of neuronal-shaped cells at the agger nasi was also shown. In conclusion, the nasal swab is a versatile tool that allows in vivo detection of multiple prion-like proteins involved in neurodegeneration.

Le proteine simili ai prioni (prion-like) sono proteine con la capacità di autopropagarsi e diffondere intercellularmente trasmettendo la propria forma mal ripiegata a varianti normali della stessa proteina, come fanno i prioni. Sono coinvolte in numerose malattie neurodegenerative, causando morte neuronale. Ad oggi, rilevare queste proteine nei pazienti affetti è ancora una sfida. L’epitelio olfattivo mostra l’espressione di queste proteine nei pazienti affetti da diverse malattie neurodegenerative e nei controlli sani. Una nuova strategia di campionamento che consente prelievi multipli in modo non invasivo è il tampone nasale. Le popolazioni cellulari che compongono l'epitelio olfattivo umano, costituito principalmente da neuroni sensoriali olfattivi, cellule di supporto e cellule basali, non sono completamente caratterizzate. Pertanto, il primo obiettivo è stato quello di descrivere mediante immunofluorescenza le popolazioni cellulari raccolte con il tampone nasale, utilizzando anticorpi disponibili in commercio. Il secondo obiettivo è stato il rilevamento di alcune proteine prion-like, come TDP-43, α-sinucleina, huntingtina e il prione stesso. Per la prima volta, l'espressione delle forme patologiche di queste proteine è stata mostrata nei campioni ottenuti dai tamponi nasali di pazienti affetti da patologie neurodegenerative rispetto ai controlli. Parallelamente è stato messo a punto in campioni olfattivi il saggio di Real-Time Quaking-Induced Conversion (RT-QuIC) per TDP-43, una tecnica in vitro originariamente sviluppata per il rilevamento dell'attività di seeding dei prioni, ottenendo una sensibilità dell’86% nell'identificazione di casi genetici di demenza frontotemporale e del 70% in casi non genetici. Il saggio di RT-QuIC per l’α-sinucleina è già stato sviluppato, ma nei campioni olfattivi dei pazienti con malattia di Parkinson aveva una sensibilità di ~46%. Pertanto, abbiamo verificato se il sito di campionamento, all'interno della volta nasale, potesse influenzare il risultato. Sono stati confrontati i tamponi nasali eseguiti a livello dell’agger nasi e del turbinato medio, ottenendo rispettivamente una sensibilità di ~80% e ~45%. È stata anche mostrata una maggiore presenza di cellule con la tipica forma neuronale nell’agger nasi. In conclusione, il tampone nasale è uno strumento versatile che consente il rilevamento in vivo di più proteine coinvolte nella neurodegenerazione.