The role of neutrophils in the pathogenesis of Alzheimer's disease

L’Alzheimer è una severa e progressiva malattia neurodegenerativa età-dipendente, dalla eziologia sconosciuta. Colpisce 35 milioni di persone nel mondo e porta ad un deterioramento cognitivo, dovuto alla perdita neuronale in quelle regioni del cervello deputate all’apprendimento e alla memoria. Le due principali e distintive caratteristiche neuropatologiche della malattia di Alzheimer sono i depositi extracellulari di peptide beta-amiloide (placche) e i filamentosi aggregati intracellulari di proteina tau iperfosforilata. Recenti studi suggeriscono che la neuroinfiammazione può rappresentare un segno distintivo della malattia e una potenziale forza trainante nell’ Alzheimer. I meccanismi infiammatori coinvolti nella patogenesi rimangono largamente sconosciuti e una migliore conoscenza del ruolo dell’infiammazione nella malattia di Alzheimer può essere d’aiuto nello sviluppare nuovi approcci terapeutici per rallentare la progressione di questa malattia. Il presente studio ha esaminato il ruolo dell’infiammazione vascolare e del traffico leucocitario, in particolare il ruolo dei neutrofili, in modelli murini della malattia di Alzheimer e come queste cellule sono connesse a deficits comportamentali e alla neuropatologia. Studi di microscopia confocale hanno mostrato un progressivo incremento nell’espressione di ICAM-1, VCAM-1, E- e P-selectin, e un elevato numero di cellule infiammatorie nel cervello di topi 5XFAD e 3xTg-AD, modelli murini di Alzheimer, durante le fasi iniziali della malattia, quando gli animali inziano a prensentare deficits cognitivi nei tests comportamentali. Sorprendentemente, abbiamo trovato che una larga parte di leucociti infiltranti erano neutrofili, suggerendo che queste cellule possono giocare un ruolo nella patogenesi della malattia. Inoltre, studi di microscopia confocale ha rilevato che i neutrofili producono NETs, trappole neutrofiliche extracellulari, suggerendo che queste formazioni possono rappresentare un nuovo meccanismo di malattia nell’Alzheimer. Esperimenti di microscopia a due fotoni ha confermato l’abilità dei neutrofili di invadere efficientemente la corteccia cerebrale e diffondere in gran numero nel parenchima, divenendo potenzialmente dannosi per le cellule neurali. Con interesse, abbiamo osservato che oligomeri solubili di beta-amiloide 1-42 erano in grado di attivare una rapida adesione integrino-dipendente su fibrinogeno umano e ICAM-1 e l’affinità dell’integrina LFA-1 nei neutrofili. In particolare, la deplezione neutrofilica così come il blocco del traffico dei neutrofili mediante anticorpo anti-LFA-1 durante le fasi iniziali della malattia, ha portato all’inibizione dei deficits cognitivi nei topi 5XFAD e 3xTg, suggerendo che i neutrofili hanno un ruolo chiave nel danno cerebrale e nei deficits cognitivi nella malattia di Alzheimer. Inoltre, abbiamo trovato che l’inibizione della funzione del neutrofilo fortemente riduce l’attivazione microgliale e il deposito di beta amiloide, suggerendo che i neutrofili giocano un ruolo chiave nella progressione della malattia. Noi abbiamo anche valutato campioni corticali cerebrali umani da pazienti con la malatttia di Alzheimer e abbiamo osservato un elevato numero di neutrofili aderenti e che diffondevano nelle venule cerebrali, che migravano nel parenchima cerebrale e producevano NETs, paragonandoli a soggetti controllo, indicando così un possibile ruolo per i neutrofili anche nella malattia umana. In conclusione, i nostri risultati suggeriscono che alle fasi iniziali della patogenesi della malattia di Alzheimer c’è un attivo processo infiammatorio, che include l’aumento dell’espressione di molecole di adesione sull’endotelio cerebrovascolare e la migrazione transendoteliale dei leucociti nel cervello, in particolare il reclutamento dei neutrofili. Ciò, ulteriormente, promuove danni vascolari e disfunzioni di cellule neurali, contribuendo a deficits cognitivi e alla progressione della malattia di Alzheimer. Quindi, i neutrofili possono avere un ruolo cruciale nella patologia e l’inibizione del traffico neutrofilico può rappresentare un nuovo e potenziale target terapeutico nella malattia di Alzheimer.

Alzheimer’s disease (AD) is an age-related, severe and progressive neurodegenerative disorder with unknown etiology. It affects 35 million people worldwide and leads to cognitive deterioration, due to neuronal loss in brain regions involved in learning and memory. The two main neuropathological hallmarks of AD are: extracellular deposits (plaques) of amyloid-beta peptide (Aβ) and filamentous intracellular aggregates (neurofibrillary tangles) of hyperphophorylated tau protein. Recent data suggest that neuroinflammation may represent a new hallmark of disease and a potential driving force in AD. However, the inflammation mechanisms involved in AD pathogenesis remain largely unknown and a better understanding of the role of inflammation in AD may help to develop new therapeutic approaches to slow the progression of this disorder. The present study examined the role of vascular inflammation and leukocytes trafficking, in particular the role of neutrophils, in murine AD models and how these cells related to behavioral impairments and neuropathology. Confocal microscopy studies showed a progressive increase in the expression of ICAM-1, VCAM-1, E- and P-selectin and high numbers of inflammatory cells in the brain of in 5XFAD and 3xTg-AD mouse models of AD during early phase of disease when animals start to present cognitive deficit in behavioral tests. Surprisingly, we found that a large part of the infiltrating leukocytes were neutrophils, suggesting that these cells may play a role in disease pathogenesis. Moreover, confocal microscopy studies revealed that neutrophils produce neutrophil extracellular traps (NETs), suggesting that NET formation may represent a new disease mechanism in AD. Two-photon microscopy experiments confirmed the ability of neutrophils to efficiently invade the cortex and diffuse in high numbers in the parenchyma being potentially harmful to neural cells. Interestingly, soluble amyloid-beta 1-42 oligomers were able to trigger rapid integrin-dependent adhesion to human fibrinogen and ICAM-1 and LFA-1 affinity in neutrophils. Notably, neutrophil depletion as well as the blockade of neutrophil trafficking by anti-LFA-1 integrin antibody during early phase of disease, led to the inhibition of cognitive deficits in 5XFAD and 3xTg-AD mouse models, suggesting that neutrophils have a key role in brain damage and cognitive deficit in AD-like disease. Moreover, we found that inhibition of neutrophil function strongly reduced microglial activation and amyloid deposition, suggesting that neutrophils play a key role in disease progression. We also evaluated human cortical brain samples from subjects with AD and observed elevated numbers of neutrophils adhered and spread inside brain venules and migrated in the parenchyma and produced NETs compared to control subjects, indicating a possible role for these cells in humans as well. In conclusion, our results suggest that, starting at the early stage of AD, there is an active inflammatory process, which includes up-regulation of adhesion molecules on cerebrovascular endothelium and leukocyte trans-endothelial migration into the brain, particularly neutrophil recruitment. This further promotes vascular damage and neural cell dysfunction, contributing to cognitive deficits and AD progression. Therefore, neutrophils may play a pivotal role in the AD pathology and inhibition of neutrophil trafficking may represent a novel potential therapeutic target in AD.