La patogenesi della malattia di Alzheimer (AD) è generalmente attribuita ad un’anomala produzione e accumulo di β-amiloide, in associazione con formazioni neurofibrillari (NTF). Questo accumulo di β-amiloide in cervelli AD culmina in tossicità neuronale sia in maniera diretta che attraverso l’attivazione della microglia che, producendo mediatori infiammatori, contribuisce al danno neuronale. Negli ultimi anni la comunità scientifica ha sollevato dubbi circa l’esclusivo ruolo patologico dell’ amiloide. L’AD familiare, dove si suppone sia la deposizione di sostanza amiloide a svolgere un ruolo patogenetico prevalente, rappresenta una condizione in grado di confermare questa ipotesi, ma la maggior parte dei casi di AD sono sporadici e lo scenario è complicato dal ruolo di diversi componenti aggiuntivi. Infatti, una vasta gamma di molecole sono presenti nelle placche AD il cui significato non è stato ancora precisamente chiarito. Tra queste, studi precedenti hanno identificato la chitina, un polimero insolubile di N-acetil-glucosamina, presente in stretta associazione con la β-amiloide nei cervelli autoptici di AD sporadici. La presenza di chitina è stata rilevata tramite colorazione con Calcofluor sia nelle placche di amiloide che nel citoplasma della microglia circostante. Lo scopo di questo studio è stato quello di verificare il ruolo patogenetico della chitina nell’ AD valutando i suoi effetti biologici su neuroni e microglia. Prima di tutto, abbiamo trovato depositi di chitina solo nei casi di AD sporadico, ma non nei casi familiari né con sindrome di Down, sottolineando la complessità della patologia sporadica. Successivamente sono stati eseguiti esperimenti in vitro, in cui culture microgliali sottoposte all'esposizione di chitina hanno mostrato come le cellule erano in grado di fagocitare piccole particelle di chitina ed il processo risultava significativamente inibito da β-amiloide. Analogamente a quanto descritto per la proteina β-amiloide, la fagocitosi della chitina attiva le cellule microgliali. Inoltre, esperimenti con colture neuronali hanno mostrato un significativo effetto citotossico indotto dalla chitina paragonabile a quello ottenuto a seguito del trattamento con β-amiloide. Un punto centrale di questa ricerca ha riguardato la produzione di chitina da parte delle cellule di mammifero, che mancano di chitina sintasi. Nell’AD sporadico il metabolismo del glucosio è spesso compromesso con attivazione della via dell’esosamina e conseguente produzione di N-acetil-glucosamina. Studi precedenti hanno suggerito che, in tale condizione, l'assenza di un enzima in grado di sintetizzare chitina possa essere superata da ialuronicosintasi-1 (HA-1), che è stato dimostrato poter convertire in vitro UDP-N-acetil-glucosamina in chito-oligosaccaridi. Abbiamo dimostrato che in presenza di UDP-N-acetil-glucosamina, sia microglia che neuroni sono in grado di produrre depositi chitino-simili che l’utilizzo di HPLC-MS ha confermato essere “composti chitino-simili appena formati”. Tale trattamento porta all’ attivazione della microglia così come ad una significativa citotossicità neuronale, mimando l'effetto della chitina esogena. I nostri risultati indicano che, in particolari condizioni di alterato metabolismo del glucosio, sia microglia che neuroni producono polimeri di chitina, in grado di scatenare un effetto neurotossico sia diretto che attraverso l'attivazione della microglia. Inoltre, esperimenti preliminari, suggeriscono che anche la trasmissione sinaptica risulta influenzata in culture di fette murine ippocampali trattate con UDP-N-acetil-glucosamina. Questi risultati suggeriscono un ruolo citotossico delle molecole chitino-simili in AD offrendo nuove prospettive nella comprensione della complessa patogenesi dell’AD.

The pathogenesis of Alzheimer’s disease (AD) is generally attributed to the abnormal production and accumulation of β-amyloid protein, in association with neurofibrillary tangle (NTF) formation. The production and subsequently accumulation of β-amyloid protein in AD brains finally results in direct neuronal toxicity and in microglial activation which, through the production of inflammatory mediators, contributes to neuronal damage. In recent years the scientific community has raised doubts regarding the exclusive pathological role of amyloid. Familiar AD, where amyloid deposition is supposed to play a prevalent pathogenetic role, represents a condition confirming this hypothesis, but the vast majority of AD cases are sporadic and in this condition the scenario is complicated by the possible role of additional components/pathways involved. In fact, a wide range of molecules are present in AD plaques, whose significance has not been clearly characterized. Among these, previous studies have identified chitin, an insoluble polymer of N-acetyl-glucosamine, in close association with β-amyloid in autoptic sporadic AD brains. Chitin was detected by Calcofluor staining both in amyloid plaques and within the cytoplasm of surrounding microglia. The aim of this study was to investigate whether chitin has a pathogenetic role in AD by assessing its biological effects on two important players: neurons and microglia. First of all, we have found chitin deposits only in sporadic AD but not in familiar AD and Down syndrome, emphasizing the complexity of amyloid-related pathology. Then we performed in vitro experiments, in which the exposure of microglial cultures to chitin showed that the cells were able to phagocyte small chitin particles, and the process was significantly inhibited by β-amyloid. Similarly to what described with β-amyloid, phagocytosis of chitin activated microglial cells. In addition, experiments with neuronal cultures clearly showed a significant cytotoxic effect induced by chitin on neurons to levels comparable to β-amyloid. A central point of this research concerned the production of chitin by mammalian cells, which lack chitin synthase. In sporadic AD glucose metabolism is frequently impaired with activation of the exosamine pathway with consequent production of N-acetyl-glucosamine. Previous studies suggested that, under such condition, the absence of a chitin synthesizing enzyme may be overcome by hyaluronan synthase-1 (HAS-1), that has been shown to convert UDP-N-acetyl-glucosamine to chito-oligosaccharides in vitro. We demonstrated that in the presence of UDP-N-acetyl-glucosamine, both microglia and neurons are able to produce chitin-like deposits that HPLC-MS analysis confirmed to be “new-formed” chitin-like compounds. Such treatment leads to activation of microglia as well as significant neuronal cytotoxicity, mimicking the effect of exogenous chitin. Our results indicate that in particular conditions of altered glucose metabolism both microglia and neurons produce chitin-like polymers, which may trigger a neurotoxic effect either by direct neuronal toxicity and by microglia activation. Moreover, preliminary experiments suggest that synaptic transmission is affected in murine hippocampal slice cultures treated with UDP-N-acetyl-glucosamine. Taken together, these results suggest a cytotoxic role of chitin-like molecules in AD and offer new insights in the understanding the complex pathogenesis of AD.

Role of Chitin in Alzheimer’s disease: a new cytotoxic pathway

TURANO, Ermanna
2012-01-01

Abstract

The pathogenesis of Alzheimer’s disease (AD) is generally attributed to the abnormal production and accumulation of β-amyloid protein, in association with neurofibrillary tangle (NTF) formation. The production and subsequently accumulation of β-amyloid protein in AD brains finally results in direct neuronal toxicity and in microglial activation which, through the production of inflammatory mediators, contributes to neuronal damage. In recent years the scientific community has raised doubts regarding the exclusive pathological role of amyloid. Familiar AD, where amyloid deposition is supposed to play a prevalent pathogenetic role, represents a condition confirming this hypothesis, but the vast majority of AD cases are sporadic and in this condition the scenario is complicated by the possible role of additional components/pathways involved. In fact, a wide range of molecules are present in AD plaques, whose significance has not been clearly characterized. Among these, previous studies have identified chitin, an insoluble polymer of N-acetyl-glucosamine, in close association with β-amyloid in autoptic sporadic AD brains. Chitin was detected by Calcofluor staining both in amyloid plaques and within the cytoplasm of surrounding microglia. The aim of this study was to investigate whether chitin has a pathogenetic role in AD by assessing its biological effects on two important players: neurons and microglia. First of all, we have found chitin deposits only in sporadic AD but not in familiar AD and Down syndrome, emphasizing the complexity of amyloid-related pathology. Then we performed in vitro experiments, in which the exposure of microglial cultures to chitin showed that the cells were able to phagocyte small chitin particles, and the process was significantly inhibited by β-amyloid. Similarly to what described with β-amyloid, phagocytosis of chitin activated microglial cells. In addition, experiments with neuronal cultures clearly showed a significant cytotoxic effect induced by chitin on neurons to levels comparable to β-amyloid. A central point of this research concerned the production of chitin by mammalian cells, which lack chitin synthase. In sporadic AD glucose metabolism is frequently impaired with activation of the exosamine pathway with consequent production of N-acetyl-glucosamine. Previous studies suggested that, under such condition, the absence of a chitin synthesizing enzyme may be overcome by hyaluronan synthase-1 (HAS-1), that has been shown to convert UDP-N-acetyl-glucosamine to chito-oligosaccharides in vitro. We demonstrated that in the presence of UDP-N-acetyl-glucosamine, both microglia and neurons are able to produce chitin-like deposits that HPLC-MS analysis confirmed to be “new-formed” chitin-like compounds. Such treatment leads to activation of microglia as well as significant neuronal cytotoxicity, mimicking the effect of exogenous chitin. Our results indicate that in particular conditions of altered glucose metabolism both microglia and neurons produce chitin-like polymers, which may trigger a neurotoxic effect either by direct neuronal toxicity and by microglia activation. Moreover, preliminary experiments suggest that synaptic transmission is affected in murine hippocampal slice cultures treated with UDP-N-acetyl-glucosamine. Taken together, these results suggest a cytotoxic role of chitin-like molecules in AD and offer new insights in the understanding the complex pathogenesis of AD.
2012
Alzheimer's disease; Chitin; Beta-amyloid; neurodegeneration; cell cultures
La patogenesi della malattia di Alzheimer (AD) è generalmente attribuita ad un’anomala produzione e accumulo di β-amiloide, in associazione con formazioni neurofibrillari (NTF). Questo accumulo di β-amiloide in cervelli AD culmina in tossicità neuronale sia in maniera diretta che attraverso l’attivazione della microglia che, producendo mediatori infiammatori, contribuisce al danno neuronale. Negli ultimi anni la comunità scientifica ha sollevato dubbi circa l’esclusivo ruolo patologico dell’ amiloide. L’AD familiare, dove si suppone sia la deposizione di sostanza amiloide a svolgere un ruolo patogenetico prevalente, rappresenta una condizione in grado di confermare questa ipotesi, ma la maggior parte dei casi di AD sono sporadici e lo scenario è complicato dal ruolo di diversi componenti aggiuntivi. Infatti, una vasta gamma di molecole sono presenti nelle placche AD il cui significato non è stato ancora precisamente chiarito. Tra queste, studi precedenti hanno identificato la chitina, un polimero insolubile di N-acetil-glucosamina, presente in stretta associazione con la β-amiloide nei cervelli autoptici di AD sporadici. La presenza di chitina è stata rilevata tramite colorazione con Calcofluor sia nelle placche di amiloide che nel citoplasma della microglia circostante. Lo scopo di questo studio è stato quello di verificare il ruolo patogenetico della chitina nell’ AD valutando i suoi effetti biologici su neuroni e microglia. Prima di tutto, abbiamo trovato depositi di chitina solo nei casi di AD sporadico, ma non nei casi familiari né con sindrome di Down, sottolineando la complessità della patologia sporadica. Successivamente sono stati eseguiti esperimenti in vitro, in cui culture microgliali sottoposte all'esposizione di chitina hanno mostrato come le cellule erano in grado di fagocitare piccole particelle di chitina ed il processo risultava significativamente inibito da β-amiloide. Analogamente a quanto descritto per la proteina β-amiloide, la fagocitosi della chitina attiva le cellule microgliali. Inoltre, esperimenti con colture neuronali hanno mostrato un significativo effetto citotossico indotto dalla chitina paragonabile a quello ottenuto a seguito del trattamento con β-amiloide. Un punto centrale di questa ricerca ha riguardato la produzione di chitina da parte delle cellule di mammifero, che mancano di chitina sintasi. Nell’AD sporadico il metabolismo del glucosio è spesso compromesso con attivazione della via dell’esosamina e conseguente produzione di N-acetil-glucosamina. Studi precedenti hanno suggerito che, in tale condizione, l'assenza di un enzima in grado di sintetizzare chitina possa essere superata da ialuronicosintasi-1 (HA-1), che è stato dimostrato poter convertire in vitro UDP-N-acetil-glucosamina in chito-oligosaccaridi. Abbiamo dimostrato che in presenza di UDP-N-acetil-glucosamina, sia microglia che neuroni sono in grado di produrre depositi chitino-simili che l’utilizzo di HPLC-MS ha confermato essere “composti chitino-simili appena formati”. Tale trattamento porta all’ attivazione della microglia così come ad una significativa citotossicità neuronale, mimando l'effetto della chitina esogena. I nostri risultati indicano che, in particolari condizioni di alterato metabolismo del glucosio, sia microglia che neuroni producono polimeri di chitina, in grado di scatenare un effetto neurotossico sia diretto che attraverso l'attivazione della microglia. Inoltre, esperimenti preliminari, suggeriscono che anche la trasmissione sinaptica risulta influenzata in culture di fette murine ippocampali trattate con UDP-N-acetil-glucosamina. Questi risultati suggeriscono un ruolo citotossico delle molecole chitino-simili in AD offrendo nuove prospettive nella comprensione della complessa patogenesi dell’AD.
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Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/11562/402536
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