Date of Award

11-2023

Document Type

Thesis

Degree Name

Master of Medical Sciences (Biochemistry and Molecular Biology)

Department

Biochemistry & Molecular Biology

First Advisor

Md. Emdadul Haque

Abstract

In the last 25 years, the prevalence of Parkinson’s Disease (PD) across the globe has doubled. Clinical manifestations of this progressive neurodegenerative disorder include motor symptoms such as tremors, bradykinesia, postural instability, etc., which occur due to selective loss of dopaminergic neurons in the Substantia nigra (SNC) in the brain. The histopathological feature of PD is the presence of intra-neuronal aggregates of proteins called Lewy bodies, a major constituent of which is α-synuclein (α-syn).

Epidemiological studies to date have reported a connection between exposure to environmental neurotoxins such as Rotenone (a mitochondrial complex 1 inhibitor) and increased risk of PD presentation. The present work looks at the effect of Rotenone exposure (nontoxic dose), on α-syn propagation, development of Lewy body-like pathology, and neurotoxicity in mice to develop a model for PD. To this end, two mice models were employed. In both models, human α-syn Pre-Formed Fibrils (PFF) seed (prepared in-vitro from monomeric α-syn) was injected into the mouse (C57BL6) striatum by stereotactic surgery. In the first model, Rotenone (2.5 mg/kg body-weight) or Vehicle (DMSO) was administered intraperitoneally once daily for four consecutive weeks one day after PFF injection (duration: 4 weeks). While, in the second model, the same dose of Rotenone was delivered three weeks after the PFF injection (duration: 3 weeks + 4 weeks). Mice were sacrificed twenty-four hours after the last Rotenone injection for immunohistochemical (IHC) and western blot analysis. IHC results from both models indicate that Rotenone administration enhances α-syn spreading, neurotoxicity (i.e. reduction in motor neurons in the SNC and nerve terminal intensity in the striatum), and neuroinflammation. In both models, most of the accumulated α-syn displayed proteinase K resistance, suggesting a Lewy body like nature of protein. Consistent with IHC results, western blot results for both models also showed an increase in endogenous α-syn in the PFF+Rotenone (PFF+R) group as compared to the PFF+Vehicle (PFF+V) group.

Interestingly, in IHC analysis, the experimental (PFF+R) group of model system 2 showed a more significant enhancement in phospho-α-syn spreading (***, p< 0.001) as opposed to model system 1 (**, p< 0.01). This suggests that model system 2 may be a preferable PD animal model; however, a systematic comparison of the two model systems is required for confirmation. In conclusion, our study provides evidence for the development of a robust PD animal model that can closely recapture the underlying pathological processes involved and assist in identifying therapeutic targets that respond to α-syn pathology. The PFF+R mice model is expected to enable better understanding of the etiology of sporadic PD, specifically the role played by environmental factors.

Arabic Abstract


تقييم الانتشار والسمية العصبية لبروتين الألفا-سينوكلين المحقون مع عقار الروتينون في منطقة السترياتوم الدماغية لنماذج مرض باركنسون من الفئران

في السنوات الخمسة والعشرون الماضية, تضاعف انتشار مرض باركنسون في جميع أنحاء العالم. المظاهر السريرية لهذا الاضطراب العصبي التنكسي التدريجي تشمل الأعراض الحركية مثل الرعاش، الحركة البطيئة، عدم استقرار الموقف، وما إلى ذلك، والتي تحدث بسبب فقدان انتقائي للخلايا العصبية الدوبامينية في المادة السوداء في الدماغ. السمة النسيجية المرضية لمرض باركنسون تتشكل من انتشار تراكمات عصبية من البروتينات تسمى بأجسام ليوي، والمكونة بشكل رئيسي من بروتين الألفا سينيوكلين. أفادت الدراسات بوجود صلة بين التعرض للسموم العصبية البيئية مثل الروتنون (مثبط الميتوكوندريال المركب (1) وزيادة خطر ظهور مرض باركنسون.

يبحث هذا العمل في تأثير التعرض للروتنون (بجرعة غير سامة) على انتشار بروتين الألفا سينيوكلين، وتواجد أجسام الشبيهة بأجسم ليوي، والسمية العصبية في نموذج الفأر. لهذا الغرض، تم استخدام نموذجين في الفئران . في كلا النموذجين، تم حقن بذر بروتين الألفا سينيوكلين الأليفي الحبيبي (PFF) البشري في الفأرعن طريق الجراحة الدماغية في حيز السترياتم (Striatum) في النموذج الأول، تم إعطاء الروتنون (2.5) ملغ / كغ وزن الجسم داخل الغشاء البريتوني مرة واحدة يوميًا لمدة أربعة أسابيع متتالية بعد يوم واحد من حقن ال PFF (المدة 4 أسابيع). بينما تم إعطاء نفس الجرعة من الروتنون بعد ثلاثة أسابيع من حقن PFF في النموذج الثاني المدة 3 أسابيع + 4 أسابيع). تم ذبح الفئران بعد أربع وعشرين ساعة من آخر حقنة روتنون للتحليل المناعي الكيميائي (IHC) وتحليل البلطات الغربية.

تشير نتائج ال IHC من كلا النموذجين إلى أن إعطاء الروتنون يعزز انتشار الألفا سينيوكلين والسمية العصبية (أي انخفاض الخلايا العصبية الحركية في ال SNC وكثافة النهايات العصبية في السترياتم والالتهاب العصبي. في كلا النموذجين، أظهر معظم الألفا سينيوكلين المتراكم مقاومة للبروتيناز K متسقا مع نتائج IHC، أظهرت نتائج اللطخة الوسترن لكلا النموذجين زيادة في الألفا سينيوكلين الداخلي في مجموعة PFF + R مقارنة بمجموعة PFF + V. ومن المثير للاهتمام، في تحليل IHC ، أظهرت المجموعة التجريبية (PFF + (R) من نظام النموذج 2 زيادة أكبر في انتشار الألفا سينيوكلين المعدل بالفسفو بنسبة (33%) مقارنة بنظام النموذج 1 (بنسبة تقارب (6%). هذا يشير إلى أن نظام النموذج 2 قد يكون نموذج حيواني أقرب لمرض باركنسون؛ ومع ذلك، يلزم إجراء مقارنة منهجية لنظم النموذج لتأكيد ذلك.

في الختام، توفر دراستنا أدلة على تطوير نموذج حيواني قوي لمرض باركنسون يمكنه تمثيل الأعراض المرضية الأساسية بشكل وثيق والمساعدة في تحديد الأهداف العلاجية التي تستجيب لعلم أمراض الألفا سينيوكلين من المتوقع أن یتیح نموذج الفأر PFF + R فھمًا أفضل لعلم أسباب مرض باركنسون (المفاجئ ) ، وتحدیدًا الدور الذي تلعبه العوامل البیئیة.

Download
COinS