Imaging of Biomarkers and Brain Circuits Involved in Parkinson's Disease

Abstract

Diese Arbeit mit dem Titel „Imaging of Biomarkers and Brain Circuits Involved in Parkinson's Disease“ (Bildgebung von Biomarkern und Gehirnschaltkreisen, die an der Parkinson Krankheit beteiligt sind) zielt darauf ab, die Frühdiagnose der Parkinson Krankheit zu verbessern und unser Verständnis der Basalganglienschleife zu vertiefen. Durch den Einsatz verschiedener bildgebender Verfahren soll die Studie nicht invasive Einblicke in Gehirnstrukturen und Mechanismen im Zusammenhang mit der Parkinson Krankheit liefern. Die dopaminergen nigrostriatalen Projektionen, eine Schlüsselkomponente der Basalganglienschleife, wurden eingehend untersucht seit deren Degeneration mit den Symptomen der Parkinson Krankheit in Verbindung gebracht wurde. Diese neurodegenerative Störung betrifft fast 2% der europäischen Bevölkerung über 65 Jahre und gewinnt mit der steigenden Lebenserwartung in den Industrieländern zunehmend an Bedeutung. Die Frühdiagnose ist nach wie vor schwierig, da die klinische Diagnose in der Regel erst nach dem Auftreten von motorischen Symptomen gestellt wird. Allerdings beginnen die pathologischen Veränderungen auf zellulärer, molekularer und funktioneller Ebene oft schon Jahrzehnte vor dem Auftreten der Symptome. Es ist bekannt, dass toxische Spezies von fehlgefaltetem α Synuklein Protein den fortschreitenden Verlust von dopaminergen Neuronen in der Substantia nigra pars compacta verursachen. Der Nachweis von aggregiertem α Synuklein könnte dabei helfen, das Fortschreiten der Krankheit zu überwachen, das Ansprechen auf die Behandlung zu bewerten und eine frühzeitige Diagnose für eine rechtzeitige medizinische Intervention zu ermöglichen. Darüber hinaus ist fehlgefaltetes α Synuklein an mehreren anderen neurodegenerativen Erkrankungen beteiligt, die unter dem Begriff Synukleinopathien zusammengefasst werden. Der erste Teil dieser Arbeit konzentriert sich auf die Entwicklung und Validierung eines Protokolls zur Prüfung niedermolekularer Verbindungen, welche als potenzielle Positronen Emissions Tomographie (PET) Tracer für aggregiertes α Synuklein relevant sind. Emrusolmin (anle138b) ist ein vielversprechender therapeutischer Wirkstoff, der präklinische Wirksamkeit bei der Hemmung der α Synuklein Aggregation gezeigt hat und sich derzeit in einer klinischen Studie der Phase 2 befindet. Zwei Derivate von Emrusolmin, MODAG 001 und MODAG 005, wurden für weitere Untersuchungen als PET Tracer ausgewählt. In vitro und in vivo Studien untersuchten die Spezifität und Selektivität von [3H]MODAG 001 und [3H]MODAG 005 für α Synuklein Aggregate. Hierbei wurden Sättigungs und Kompetitions Bindungstests mit rekombinanten humanen α Synuklein, Tau und Amyloid β Fibrillen durchgeführt. Beide Tracer zeigten eine hohe Affinität für α Synuklein Fibrillen (Kd MODAG 001 =0,6 ± 0,1 nM/Kd MODAG 005 = 0,2 ± 0,03 nM) und eine gute Selektivität gegenüber anderen Amyloiden, einschließlich Tau und Amyloid β, die bei neurodegenerativen Erkrankungen häufig gemeinsam mit α Synuklein lokalisiert sind. Eine detaillierte Bestimmung der Bindungsparameter zeigte eine hohe Selektivität, wobei MODAG 005 eine besonders starke Bindung an α Synuklein Fibrillen zeigte und eine geringere Affinität für Tau und Amyloid β. Nach erfolgreicher Kohlenstoff 11 Markierung wurden dynamische PET Messungen an gesunden Ratten und Mäusen durchgeführt, um die Anreicherung und Ausscheidung beider Tracer zu beurteilen. [11C]MODAG 001 und [11C]MODAG 005 zeigten eine effektive Durchdringung der Blut Hirn Schranke und eine rasche Ausschwemmung des Tracers aus dem Gehirn. Bei der Analyse der Radiometaboliten im Hirngewebe und Blutplasma wurden zwei Radiometaboliten identifiziert, die nach der Injektion von [11C]MODAG 001 die Blut Hirn Schranke durchdrungen haben. Dies wurde durch Deuterierung der Verbindung nur geringfügig reduziert. Bei [11C]MODAG 005 wurde nur ein Metabolit nachgewiesen, der eine geringere unspezifische Bindung im Nagetierhirn aufwies. Der zweite Teil dieser Arbeit konzentriert sich auf die Vertiefung unserer Kenntnisse über die funktionellen, metabolischen und biochemischen Vorgänge im dopaminergen System. Eine genaue Charakterisierung des dopaminergen Systems ist entscheidend für ein besseres Verständnis der Krankheitsmechanismen, eine bessere Diagnostik und die Entwicklung gezielter Therapien. Es wurde ein zuverlässiges, simultanes [18F]FDG fPET/BOLD fMRI (funktionelle [18F]FDG PET/BOLD (von englisch blood oxygenation level dependent) funktionelle Magnetresonanztomographie) Protokoll entwickelt um die Basalganglienschleife während der optogenetischen Stimulation der Substantia nigra pars compacta zu untersuchen. Aufbauend auf der Arbeit von Wehrl et al., die eine hybride PET/MR Bildgebung verwendeten um hämodynamische Veränderungen bei Kleintieren mit fMRI zu untersuchen und gleichzeitig Veränderungen des Hirnstoffwechsels mit fPET zu messen (Wehrl et al., 2013), zielte diese Studie darauf ab, die Vergleichbarkeit der Daten zu verbessern, indem ein vollständig simultanes Messprotokoll zur Datenerfassung mit einem identischen Stimulationsparadigma implementiert wurde. Trotz einiger Überschneidungen in den Aktivierungsmustern zwischen fPET und fMRI wurden räumliche und geometrische Diskrepanzen beobachtet, die auf unterschiedliche physiologische Messparameter der beiden Modalitäten zurückgeführt werden. Darüber hinaus wurde in dopaminergen Regionen in der Ruhephase unmittelbar nach der Lichtstimulation ein Überschießen des BOLD Signals festgestellt. Während der Stimulation trat nur eine bescheidene positive BOLD Antwort auf. Dieses Phänomen könnte durch aktive hemmende Rückkopplungsmechanismen oder vaskuläre Effekte erklärt werden, die durch die Freisetzung von Neurotransmittern ausgelöst werden. Darüber hinaus wurden negative BOLD Signaländerungen im motorischen und sensorischen Kortex beobachtet, die möglicherweise auf eine erhöhte Dopaminbindung an D2 Rezeptoren nach tonischer Stimulation zurückzuführen sind, was zu einer überwiegenden Aktivierung des indirekten Weges und einer anschließenden Verringerung der kortikalen Erregung führt. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass diese Arbeit sowohl die molekularen Bildgebungsverfahren als auch das Verständnis der Basalganglienschleife voranbringt und zu der Entwicklung wirksamer diagnostischer und therapeutischer Ansätze für die Parkinson Krankheit beiträgt.

This work, titled "Imaging of Biomarkers and Brain Circuits Involved in Parkinson's Disease", aims to advance early diagnosis of Parkinson's disease and deepen our understanding of the basal ganglia circuit. By employing a range of imaging techniques, the study seeks to provide non invasive insights into brain structures and mechanisms associated with Parkinson´s disease. The dopaminergic nigrostriatal projections, a key component of the basal ganglia circuit, have been extensively studied since their degeneration was linked to the symptoms of Parkinson’s disease. This neurodegenerative disorder affects nearly 2% of the European population over the age of 65 and is gaining significance as life expectancy rises in industrialized nations. Early diagnosis remains challenging, as a clinical diagnosis is typically made only after motor symptoms emerge. However, pathological changes at the cellular, molecular, and functional level often begin decades before these symptoms become apparent. Toxic species of misfolded α synuclein protein are known to cause the progressive loss of dopaminergic neurons in the substantia nigra pars compacta. Detecting aggregated α synuclein could aid in monitoring disease progression, evaluating treatment response, and enabling early diagnosis for more timely medical intervention. Additionally, misfolded α synuclein is implicated in several other neurodegenerative diseases collectively referred to as synucleinopathies. The first part of this work focuses on developing and validating a workflow to test low molecular weight compounds as potential positron emission tomography (PET) tracers for aggregated α synuclein. Emrusolmin (anle138b) is a promising therapeutic compound, which has shown preclinical efficacy in inhibiting α synuclein aggregation and is currently in a phase 2 clinical trial. Two derivatives of Emrusolmin, MODAG 001 and MODAG 005, were selected for further investigation as PET tracers. In vitro and in vivo studies assessed the specificity and selectivity of [3H]MODAG 001 and [3H]MODAG 005 for α synuclein aggregates, with saturation and competition binding assays performed using recombinant human α synuclein, tau and amyloid β fibrils. Both tracers demonstrated high affinity for α synuclein fibrils (Kd MODAG 001 = 0.6 ± 0.1 nM/Kd MODAG 005 = 0.2 ± 0.03 nM) and good selectivity over other amyloids, including tau and amyloid β, which often co localize with α synuclein pathology in neurodegenerative diseases. A detailed evaluation of binding parameters revealed high selectivity, with MODAG 005 showing particularly strong binding to α synuclein fibrils and lower affinity for tau and amyloid β. Following successful carbon 11 labeling, dynamic PET scans were conducted in healthy rats and mice to evaluate the delivery and clearance of both tracers. [11C]MODAG 001 and [11C]MODAG 005 demonstrated effective blood brain barrier penetration and rapid tracer washout from the brain. Radiometabolite analysis in brain tissue and plasma identified two radiometabolites penetrating the blood brain barrier after [11C]MODAG 001 injection, which was only slightly reduced after the deuteration of the compound. After [11C]MODAG 005 injection, only one metabolite was detected in the rodent brain with lower non specific binding. The second part of this thesis focuses on deepening our knowledge of the functional, metabolic, and biochemical processes in the dopaminergic system. A precise characterization of the dopaminergic system is crucial for enhancing our understanding of disease mechanisms, improving diagnostics, and developing targeted therapies. A reliable protocol was developed for simultaneous [18F]FDG functional PET (fPET)/blood oxygenation level dependent functional magnetic resonance imaging (BOLD fMRI) to study the basal ganglia circuitry during optogenetic stimulation of the substantia nigra pars compacta. Building on previous work by Wehrl et al. who used hybrid PET/MR imaging to investigate hemodynamic changes in small animals using fMRI while measuring changes in brain metabolism with fPET (Wehrl et al., 2013), this study aimed to improve data comparability by implementing a fully simultaneous data acquisition approach with an identical stimulation paradigm. Despite some overlap in activation patterns between fPET and fMRI, spatial and geometric discrepancies were observed, which were attributed to different physiological readouts of each modality. Additionally, an overshoot in the BOLD signal was detected in dopaminergic regions immediately after light stimulation during the resting period and only a modest positive BOLD response occurred during stimulation. This phenomenon may be explained by active inhibitory feedback mechanisms or vascular effects triggered by neurotransmitter release. Additionally, negative BOLD signal changes were observed in the motor and sensory cortices possibly attributed to increased dopamine binding to D2 receptors following tonic stimulation, leading to predominant activation of the indirect pathway and a subsequent reduction in cortical excitation. In conclusion, this work advances both molecular imaging techniques and the understanding of basal ganglia circuitry contributing to the development of more effective diagnostic and therapeutic approaches for Parkinson’s disease.