DE69819696T2 - Verfahren zum nachweis beta-amyloid-reduzierenden-agenzien - Google Patents

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Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung ist im Bereich von Tests angesiedelt, die verwendet werden, um Mittel zur Behandlung der Alzheimerschen Krankheit zu identifizieren. Genauer stellt die vorliegende Erfindung Verfahren zur Verwendung beim Durchtesten („Screening") von Mitteln bereit, die zum Verringern der β-Amyloid-Bildung/-Sekretion/-Ablagerung verwendet werden, hauptsächlich bei der Behandlung der Alzheimerschen Krankheit.
  • Hintergrund
  • Die Alzheimersche Krankheit (Alzheimer) ist eine häufige, altersbezogene, degenerative Gehirnkrankheit. Die Krankheit ist durch fortschreitende Demenz zusammen mit dem Vorhandensein von charakteristischen, neuropathologischen Merkmalen bestimmt. Die Bildung von β-Amyloid-Ablagerungen oder Plaques ist ein Kennzeichen und diagnostisches Merkmal der Alzheimerschen Krankheit (Khachaturian (1985) Arch. Neurol. 42, 1097–1105). Ein beachtliches Beweismaterial weist darauf hin, dass der Prozess der β-Amyloid-Bildung und -Ablagerung direkt mit der Entwicklung dieser Krankheit verbunden ist. Beispielsweise entwickeln Individuen mit Mutationen in dem Gen, das das β-Amyloidvorläuferprotein (β-APP) kodiert, ausnahmslos die Alzheimersche Krankheit (Goate et al. (1991) Nature 353, 844–846; Mullan et al. (1992) Nature Genet 1, 345–347; Murrell et al. (1991) Science 254, 97–99; Van Broeckhoven (1995) Eur. Neurol. 35, 8–19). Das β-Amyloidpeptid ist ein 39–43-Aminosäurenprotein (Glenner et al. (1984) Biochem. Biophys. Res. Commun. 120, 885–890; Masters et al. (1985) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 82, 4245–4249), das fähig ist, β-Faltblatt-Aggregate zu bilden. Die aggregierenden Fibrillen werden nachfolgend im Parenchym des Gehirns oder in den Blutgefäßen des Gehirns des Opfers der Alzheimerschen Krankheit abgelagert.
  • Das β-Amyloid-Peptid stammt aus einem größeren Typ I-Membranumspannenden Protein, β-APP, das mehrere mögliche gespleißte Transkripte aufweist (Kang et al. (1987) Nature 325, 530–532; Ponte et al. (1988) Nature 331, 525–527; Tanzi et al. (1988) Nature 331, 528–530; Kitaguchi et al. (1988) Nature 331, 530–532; de Savage et al. (1989) Science 245, 651–653). Die differenziell-gespleißten Transkripte führen zu β-APP mit 695, 714, 751 und 770 Aminosäuren. Die biologische Funktion von β-APP ist nicht gut verstanden, obwohl es so aussieht, dass es beim Zell-Zell-Kontakt, beim Zell-Überleben und bei der Zell-Proliferation arbeitet (Schubert et al. (1989) Neuron 3: 689–694; Saitoh et al. (1989) Cell 58: 615–622; Chen et al. (1991) Neurosci. Lett. 125, 223–251; Mattson et al. (1993) Neuron 10, 243–254).
  • Eine sekretierte Form des β-APP wird normalerweise durch proteolytische Spaltung erzeugt (Weidemann et al. (1989) Cell 57, 115–126). Diese proteolytische Spaltung erfolgt innerhalb des β-Amyloid-Bereichs unter Ausschluß der β-Amyloidbildung (Esch et al. (1990) Science 248, 1122–1124; Sisodia et al. (1990) Science 248, 492–495). Als Folge der Spaltung wird der Hauptteil des β-APP aus der Zelle sekretiert und ein Fragment von ~8 kDa des Carboxyl-Endes verbleibt an der Zellmembran gebunden. Das Enzym bzw. die Enzyme, das bzw. die für dieses nichtamyloidogene Prozessieren des β-APP verantwortlich ist, wird γ-Sekretase genannt.
  • Die Bildung des β-Amyloidpeptids ist normalerweise ein physiologischer Prozess. Es wurde gefunden, dass das Peptid natürlich in Zellkulturen in vitro gebildet wird (Haas et al (1992) Nature 359, 322–325; Seubert et al (1992) Nature 359, 325–327; Shoji et al (1992) Science 258, 126–129; und in vivo (Seubert et al (1992) Nature 359, 325–327; Vigo-Pelfrey et al. (1993) J. Neurochem. 61, 1965–1968; Tabaton et al (1994) Biochem. Biophys. Res. Commun. 200, 1598–1603; Teller et al. (1996) Nature Med. 2, 93–95). Das β-Amyloidpeptid scheint ein Abbau-Nebenprodukt des intrazellulären Katabolismus der nicht-sekretierten Form des β-APP zu sein (Higaki et al (1995) Neuron 14, 651–659), und das Inhibieren seiner Bildung hat keine offensichtlich schädlichen Folgen in vitro. Es sind zwei proteolytische Prozessierungsschritte erforderlich, um das β-Amyloidpeptid zu erzeugen: einer erzeugt das Amino-Ende des Peptids unter Mitwirkung eines nicht-identifizierten Enzyms bzw. Enzyme, das als β-Sekretse bezeichnet wird, der zweite bildet das Carboxyl-Ende des Peptids, das durch ein nicht-identifiziertes Enzym bzw. Enzyme erzeugt wird, das als γ-Sekretase bezeichnet wird.
  • Die US-A-5385915 offenbart ein Verfahren zur Regulierung der Phosphorylierung von Proteinen, die beim Kontrollieren des Prozessierens oder der Funktion von Schlüsselproteinen, die im intrazellulären, neurofibrillären Gewirr gefunden werden, und extrazellulären Amyloid-Plaques, die mit der Alzheimerschen Krankheit in Verbindung gebracht werden, beteiligt sind, was ein Einbringen einer wirksamen Menge eines Kinasereglers oder Phosphotasereglers umfasst, wobei der Regler die Fähigkeit hat, die Geschwindigkeit des proteolytischen Prozessierens zu erhöhen oder abzuschwächen oder den Funktionsbereich der Schlüsselproteine zu regeln.
  • In der Wissenschaftsgemeinde der Alzheimerschen Krankheit wurde Augenmerk auf das Inhibieren des Prozessierens von β-APP in das β-Amyloidpeptid als ein Ansatz zu einer neuartigen, therapeutischen Entwicklung für die Alzheimersche Krankheit gerichtet. Weder die prozessierenden Enzyme β- noch γ-Sekretase wurden eindeutig bestimmt oder gereinigt. Es gibt keinen Test, der reine β-APP und reine β-Amyloid-bildende Enzyme enthält. Intakte, kultivierte Zellen stellen eine Quelle für β-Amyloidpeptid bereit. Überprüfungen (engl.: screens) für Verbindungen, die die β-Amyloidbildung hemmen, wurden auf der Basis von Messungen der β-Amyloidbildung in Zellkulturen nach Anwendung einer Testverbindung entwickelt. Die Toxizität der Verbindung wird gleichzeitig gemessen. Testverbindungen, die als nicht-toxische Inhibitoren in solch einem Test gelten, werden dann auf Aktivität in Tieren getestet. Die Tierversuche sind jedoch arbeitsaufwändig, teuer und zeitaufwändig. Dazu kommt, dass viele wesentliche Hindernisse vorhanden sind, die Inhibition der β-Amyloidbildung in einem Tier zu erhalten, die in Zellkultur nicht existieren, einschließlich Abbau und Ausleitung der Verbindung, beschränkter Zugang zum Zielorgan (Gehirn), der durch die Blut-Hirn-Schranke auferlegt wird, und selektive Zelltoxizität. Somit sind negative Ergebnisse bei Tierversuchen schwierig zu deuten und sind von beschränkter Verwendbarkeit für die Unterrichtung zum Strukturdesign anderer Verbindungen. Aus diesen Gründen ist es äußerst wünschenswert, ein System zum Testen von Verbindungen auf die β-Amyloid-hemmende Aktivität und Toxizität zu erhalten, das der Komplexität des intakten Zielorgans gleicht, und somit die technischen Schwierigkeiten des Durchführens und Interpretierens der gesamten Tierversuchsexperimente umgeht.
  • Organotypische Schnittkulturverfahren wurden für das Gehirn entwickelt, bei denen Explantate oder Sektionen des ganzen Gehirns, oder üblicherweise eine bestimmte anatomische Gehirnstruktur, wie beispielsweise Hippocampus oder Kleinhirn, in Kultur für längere Zeiträume erhalten werden können (Seil (1979) Review in Neuroscience 4, 105–177; Gahwiler (1981) J. Neurosci. Meth. 4, 329–342; Gahwiler (1984) Neuroscience 11, 751–760, Gahwiler (1988) Trends Neurosci. 11, 484–490). Kürzlich wurden deutliche Verbesserungen entwickelt, so dass besser reproduzierbare Ergebnisse durch ein vereinfachtes Verfahren erlangt werden können (Stoppini et al., (1991) J. Neurosci. Methods 37, 173–182). Ein notwendiges Merkmal solcher Kulturen ist die ausgeprägte Bewahrung von organotypischer Gewebearchitektur: die zelluläre Anatomie ist der des intakten Gehirns sehr ähnlich, bis zum Ausmaß, dass synaptische Eingaben und die Funktion die der normalen Situation nachahmt, und die Entwicklung setzt sich in neonatale Hirnschnitte fort. Typischerweise werden diese Präparate für elektrophysiologische Studien zur Untersuchung von Gehirn-Phänomenen, wie der biochemischen Basis des Lernens, verwendet, was eine komplexe Interaktion der Zellen erfordert, die nur in intakten Tieren oder in organotypischen Schnittkulturen verfügbar ist. Bisher sind nur zwei Beispiele von Verwendung von orgnotypischen Gehirnschnittkulturen im Stand der Technik bezüglich Alzheimersche Krankheit bekannt. London et al. (1996) Proc. Natl. Acad. Sci. 93, 4147–4153) schauten nach Wechselwirkungen verschiedener Gehirnzelltypen durch Anwenden von mit synthetischem Amyloid vorbehandelten Monozyten auf organotypische Hirnschnittkulturen, wobei man das Zellüberleben misst. Nitsch, Wurtzmann, und Kollegen untersuchten die Wirkungen der neuralen Stimulation durch Elektroden und Neurotransmitter auf den Hirnkreislauf (Diekman et al. (1994) J. Neural. Transm. Suppl. 44, 61–71) und die Sekretion von Amyloid-Vorläuferprotein (Nitsch et al. (1994) J. Neural. Transm. Suppl. 44, 21–27); Farber et al. (1995) J. Neurosci. 15, 7442–7451).
  • Das organotypische Schnittkulturverfahren wurde nicht mit Tests für β-Amyloid und Zelllebensfähigkeit verknüpft, um die Amyloidbildung und/oder die Wirkung der Testverbindungen auf dessen Herstellung zu untersuchen. Die vorliegende Erfindung basiert in Teilen auf der Verknüpfung von organotypischen Schnittkulturverfahren mit β-Amyloid-Testverfahren. Die resultierenden Verfahren der vorliegenden Erfindung stellen ein schnelles und effizientes Verfahren zur Identifizierung von Verbindungen, die verwendet werden können, um Alzheimer zu behandeln, bereit.
  • Der Stand der Technik zum Testen von Verbindungen zur Hemmung der β-Amyloidbildung verließ sich auf das Testen der Aktivität im ganzen Tier, in Primärzellen oder Zelllinienkulturen, aufgeschlossenen Zellen oder Zell- oder Gewebehomogenaten oder reinen Enzymaufarbeitungen. Mit Ausnahme des ganzen Tieres, imitiert keines dieser Verfahren die Komplexität der Zelltypen und der Wechselwirkungen, die im Gehirn vorkommen. Es ist bekannt, dass zelluläre Wechselwirkungen das β-Amyloid-Vorläuferprotein und die β-Amyloid-Bildung und -Sekretion beeinflussen und man kann erwarten, dass sie Verfügbarkeit, Abbau und Verträglichkeit der Verbindung im Gehirn beeinflussen. Organotypische Hirnschnittkulturen bieten das gesamte Spektrum an Zelltypen, die im Gehirn vorhanden sind, mit bemerkenswert gut erhaltener Organisation und zellulären Wechselwirkungen. Somit sind Wirkungen von Testverbindungen auf die β-Amyloidbildung und zelluläre Lebensfähigkeit und Funktion bessere Voraussager von in-vivo-Effekten, als diese Messungen, die an weniger komplexen Einzelzell-Systemen durchgeführt werden. Mögliche Verbindungen, die toxische Effekte oder fehlende Effizienz aufweisen, die bei den organotypischen Präparaten offensichtlich sind, aber die nicht in Zellkultursystemen offensichtlich wären, können vor dem Weitermachen mit Tierversuchen ausgeschlossen werden.
  • Ganztierexperimente sind arbeitsaufwändig, teuer und zeitaufwändig durchzuführen. Dazu kommt, dass relativ große Mengen an Testverbindungen synthetisiert werden müssen, um diese in Tiere zu dosieren. Beispielsweise ist bei den gegenwärtigen Tierversuchsprotokollen allgemein ein Minimum von sieben Tieren pro Messpunkt erforderlich aufgrund der Varianz in Tieren und der hohen Empfindlichkeit, die für die Tests erforderlich ist. Jede Bestimmung mit organotypischen Kulturen erfordert einen Bruchteil der Anzahl an Tieren, verglichen mit einer ähnlichen Bestimmung in vivo: etwa 3 Schnitte (20 werden pro Maus erhalten, 30 pro Ratte) pro Messpunkt im Unterschied zu 7 Tieren pro Messpunkt, was einer 70-fachen Verringerung der Anzahl der erforderlichen Tiere entspricht. Die Dosisreaktion und der zeitliche Ablauf der Untersuchungen, die in organotypischen Schnittexperimenten durchgeführt werden, erleichtern die anfängliche Auswahl für die Dosierungspläne in vivo, verringern die Anzahl der erforderlichen Experimente in vivo mit erforderlichen Dosierungsplänen.
  • Ein weiterer wesentlicher Nachteil der Ganztierexperimente ist die Anzahl der Variablen, die nicht kontrolliert werden können und schwer abzuschätzen sind. Wenn beispielsweise eine Verbindung ohne Wirkung ist, könnte dies aufgrund von schneller Ausleitung aus dem Blut, schnellem Abbau, Aufnahme durch ein Nicht-Zielgewebe, oder die Unfähigkeit, die Blut-Hirn-Schranke zu durchdringen, sein. Die Dosierung kann durch Toxizität gegenüber einem empfindlichen Nicht-Zielorgan beschränkt sein. Die Bestimmung des Beitrags dieser Faktoren zu einem negativem Ergebnis ist eine größere Aufgabe. Somit sind negative Ergebnisse nicht für das Aufstellen von Struktur-Aktivitäts-Beziehungen dienlich, um die Entwicklung von verbesserten Verbindungs-Strukturen zu leiten. Organotypische Schnittkulturen unterdrücken oder minimieren diese Variablen, da die Blut-Hirn-Schranke und andere Gewebe nicht vorhanden sind. Der Abbau einer Verbindung ist leicht durch die Probenmedien zu bewerten. Die Dosierung im Zielorgan ist leicht zu kontrollieren.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung stellt Verfahren bereit, die zur Bestimmung von β-Amyloid-verringernden Verbindungen verwendet werden können. Die vorliegende Erfindung basiert auf der Verwendung von organotypischen Hirnschnittkulturverfahren zur gleichzeitigen Bewertung der Toxizität und β-Amyloid-verringernder Aktivität einer Testverbindung.
  • Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren zur Identifizierung von β-Amyloid-verringernden Mitteln bereitgestellt, das folgende Schritte umfasst:
    • a) Herstellen einer organotypischen Hirnschnittkultur
    • b) Bestimmen der Lebensfähigkeit von Zellen in der organotypischen Hirnschnittkultur,
    • c) Anwendung einer Testverbindung auf die organotypische Hirn-Schnittkultur,
    • d) Bewertung der Lebensfähigkeit und der β-Amyloidbildung (i) der behandelten organotypischen Hirnschnittkultur von Stufe (c) und (ii) einer nicht behandelten organotypischen Hirnschnittkultur
    • e) Identifizieren einer Verbindung, die die β-Amyloidbildung verringert, jedoch nicht die Lebensfähigkeit der Zelle verringert oder andere Zellfunktionen verändert,

    wobei die organotypische Hirnschnittkultur von a) und die unbehandelte organotypische Hirnschnittkultur von d) nicht von einem menschlichen Fötus stammen.
  • Kurze Beschreibung der Abbildungen
  • 1 Immunohistochemische Charakterisierung von organotypischen Schnittkulturen aus Hippocampus.
  • 2 β-Amyloid 1-40-Sekretion von organotypischen Schnittkulturen aus Hippocampus.
  • 3 β-Amyloid 1-40-Sekretion von organotypischen Schnittkulturen aus Hippocampus, die aus β-APP751-transgenen Mäusen präpariert wurden.
  • 4 Bewertung der Testverbindung MDL 28170 auf Lebensfähigkeit und β-Amyloid-Sekretion von organotypischen Schnittkulturen.
  • Ausführungsformen zur Durchführung der Erfindung
  • Allgemeine Beschreibung
  • β-Amyloid und β-Amyloid-Vorläufer-Protein
  • Wie hier verwendet, bezieht sich „β-Amyloidpeptid oder -protein" auf jede β-Amyloid-Spezies von Proteinen. Solche Proteine haben typischerweise ~4 kDa. Mehrere verschiedene Sequenzen der Aminoenden und der heterogenen Carboxylenden wurden auf der Basis der Charakterisierung des peptidischen β-Amyloid-Proteins aus Gewebe der Alzheimerschen Krankheit und aus Zellkulturen beobachtet (Glenner and Wong (1984) Biochem. Biophys. Res. Commun. 120, 885–890; Joachim et al. (1988) Brain Res. 474, 100; Prelli et al. (1988) J. Neurochem. 51, 648–651; Mori et al. (1992) J. Biol. Chem. 267, 17082–17806; Seubert et al. (1992) Nature 359, 325–327; Naslund et al. (1994) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 91, 8378–8382; Roher et al. (1993) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 90, 10836–10840; Busciglio et al. (1993) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 90, 2092–2096; Haass et al. (1992) Nature 359, 322–325). Insbesondere im Hinblick auf die Carboxylenden wurde gezeigt, dass das β-Amyloidpeptid bei Position 39, 40, 41, 42, 43 oder 44 endet, wobei Position 1 das Aspartat der β-Amyloidsequenz ist, wie durch Glenner und Wong (1984) Biochem. Biophys. Res. Commun. 120, 885–890 definiert.
  • Der Begriff „β-Amyloid-Vorläuferprotein" oder „β-APP" bezieht sich auf jede der differenziell-gespleißten Isoformen dieses Proteins, einschließlich, aber nicht darauf beschränkt, die 695-, 714-, 751- und 770-Aminosäuren-Isoformen (Kang et al. (1987) Nature 325, 530–532; Ponte et al. (1988) Nature 331, 525– 527; Tanzi et al. (1988) Nature 331, 528–530; Kitaguchi et al. (1988) Nature 331, 530–532; de Savage et al. (1989) Science 245, 651653). Der Begriff β-APP schließt auch natürlich vorkommende menschliche Mutanten des β-APP ein (Goate et al. (1991) Nature 353, 844–846; Mullan et al. (1992) Nature Genet. 1, 345–347; Murrell et al. (1991) Science 254, 97–99; Van Broeckhoven (1995) Eur. Neurol. 35, 8–19); Wildtyp-β-APP; mutantes β-APP, hergestellt von Kulturzellen unter Verwendung rekombinanter DNA-Verfahrenstechnik; und natürliche oder künstliche Derivate des β-APP, die in der Lage sind, β-Amyloid zu erzeugen.
  • Organotypische Hirnschnittkulturen
  • Wie hier verwendet, bezieht sich der Begriff „organotypische Hirnschnittkultur" auf Sektionen oder Explantate des Hirngewebes, das in Kultur gehalten wird (Seil, 1979) Review in Neuroscience 4: 105–177; Gahwiler (1981) J. Neurosci. Meth. 4, 329–342; Gahwiler (1984) Neuroscience 11, 751–760, Gahwiler (1988) Trends Neurosci 11, 484–490; Stoppini et al., (1991) J. Neurosci. Methods 37, 173–182). Ein Fachmann kann leicht aus dem Stand der Technik bekannte organotypische Hirnschnittkulturverfahren zur Verwendung für die vorliegende Erfindung anwenden.
  • Organotypische Hirnschnittkulturen können Sektionen des gesamten Hirngewebes oder Explantate verwenden, die aus spezifischen Regionen des Hirns erhalten wurden. Jede Region kann verwendet werden, um organotypische Hirnschnittkulturen zu erzeugen. Jedoch sind die bevorzugte Quelle für organotypische Hirnschnittkulturen Explantate, die aus spezifischen Regionen des Hirns, vorzugsweise des Hippocampus oder der Cortex-Region, stammen.
  • Präparierung der organotypischen Hirnschnittkulturen
  • Jeder Säuger, der kein menschlicher Fötus ist, kann als Gewebequelle für das Explantat verwendet werden, das verwendet wird, um organotypische Hirnschnittkulturen zu erzeugen, die bei dem vorliegenden Verfahren verwendet werden, soweit das Tier als Gewebequelle dienen kann und die organotypische Schnittkultur für einen Zeitraum eingerichtet und erhalten werden kann, der ausreicht, um die vorliegenden Verfahren durchzuführen. Solche Säuger schließen Ratten, Mäuse, Meerschweinchen, Affen und Kaninchen ein, sind aber nicht darauf beschränkt.
  • Der Säuger, der als Gewebequelle verwendet wird, kann ein Wildtypsäuger sein oder kann ein Säuger sein, der genetisch verändert wurde, um ein eingeführtes Gen zu enthalten und zu exprimieren. Vorzugsweise wird das Tier ein transgenes Tier sein, wie beispielsweise eine transgene Maus, die verändert wurde, um die neurale Bildung des β-Amyloid-Vorläuferproteins zu exprimieren (Quon et al. (1991) Nature 35, 598–607; Higgins et al. (1995) Proc. Natl. Acad. Sci., USA, 92, 4402–4406). Am meisten bevorzugt wird das Tier so verändert, dass es ein β-Amyloid-Vorläuferprotein exprimiert, das von menschlichen β-Amyloid-Sequenzen abgeleitet wurde oder darauf basiert.
  • Der Säuger, der als Gewebequelle verwendet wird, kann jeden Alters sein. Vorzugsweise wird die Säugetiergewebequelle ein neonataler, nicht-menschlicher Säuger sein.
  • Um Gewebe zur Kultivierung aus lebenden Tieren zu erhalten, wird das Tier vorzugsweise schnell getötet und enthauptet, das wird im Allgemeinen gleichzeitig durchgeführt. Das Gehirn wird dann schnell in ein Seziermedium, das auf physiologischen pH gepufferf ist, überführt. Ein Beispiel eines solchen Mediums ist ein Minimal-Essential-Medium (MEM) mit 10 mM Tris, pH 7,2 gepuffert und mit Antibiotika ergänzt.
  • Das Gehirn oder die gewünschte Gehirnregion wird dann unter einem Seziermikroskop unter sterilen Bedingungen isoliert. Das gesamte Hirngewebe kann verwendet werden, um eine organotypische Hirnschnittkultur aufzubauen. Alternativ kann ein spezifischer Bereich oder eine Region des Gehirns als Explantatquelle verwendet werden. Der bevorzugte Bereich als Quelle für die organotypische Hirnschnittkultur zur Bewertung der β-Amyloidbildung sind Hippocampus und Cortex.
  • Als nächstes werden kleine Regionen von dem Gewebe als Schnitte oder Explantate abgetrennt, so dass das Oberflächen-zu-Volumen-Verhältnis einen Austausch zwischen dem Mittelpunkt des Gewebes und dem Medium ermöglicht. Eine Vielzahl von Verfahren kann angewendet werden, um die Hirngewebe zu schneiden oder zu teilen. Beispielsweise können Seziervorrichtungen verwendet werden. Die Größe/Dicke der Gewebeschnitte basieren primär auf der Gewebequelle und dem zum Sezieren/Teilen angewendeten Verfahren. Beispielsweise weisen bevorzugte Segmente etwa 400 bis etwa 500 μm im Durchmesser auf, und werden unter Verwendung eines Gewebeschneiders, einer Rasierklinge oder anderer geeigneter Sezier/Mikrotom-Klingen hergestellt.
  • Nach dem Sezieren werden die Sektionen abgetrennt und beschädigtes Gewebe wird entfernt. Die Sektionen des Hirngewebes werden vorzugsweise in Tropfen von Seziermedium gehandhabt und auf Kulturplatteneinlagen ins Kulturmedium gelegt. Überschüssiges Medium wird abgezogen, beispielsweise unter Verwendung eines Papiertuches, und die Kultur wird in einen Inkubator gestellt.
  • Die Wahl des Kulturmediums und der Kulturbedingungen hängt von der beabsichtigten Verwendung, der Gewebequelle und der Zeit ab, bevor die Sektion gemäß des vorliegenden Verfahrens verwendet wird. Beispiele von Kulturmedien schließen folgende ein, sind aber nicht darauf beschränkt: 25% Pferdeserum, 50% Minimal-Essential-Medium, 25% Hanksches-Medium, mit Antibiotika und L-Glutamin ergänzt. Beispiele von Kulturbedingungen schließen 37°C und 5% CO2 ein, sind aber nicht darauf beschränkt.
  • Die Kulturen können unter besten Bedingungen über einige Monate gehalten werden. Jedoch werden organotypische Hirnschnittkulturen vorzugsweise verwendet, nachdem sie sich von dem Schock des Transfers in die Kultur stabilisiert haben, aber bevor der Verfall einsetzt. Allgemein ist es bevorzugt, die Schnittkulturen nach etwa einer Woche bis etwa vier Wochen, nachdem sie hergestellt wurden, zu verwenden.
  • Bewertung der Lebensfähigkeit
  • Nachdem die organotypische Hirnschnittkultur erhalten wurde, wird sie auf Lebensfähigkeit vor der Anwendung einer Testverbindung getestet. Die Lebensfähigkeit/Integrität der organotypischen Schnittkultur wird üblicherweise am Beginn jedes Experiments bewertet, um sowohl die Gesundheit des Präparats zu zeigen als auch ein Maß für den Umfang an lebendem Gewebe, das in der vorbehandelten Kultur vorhanden ist, bereitzustellen.
  • Jedes im Stand der Technik bekannte Verfahren zur Bestimmung der Lebensfähigkeit kann verwendet werden. Beispielsweise schließen solche Verfahren folgende ein, sind aber nicht darauf beschränkt: visuelle Untersuchung unter einem Mikroskop; Färben von Schwesterkulturen mit Vital-Farbstoffen wie Trypanblau; Färbemittel und immunohistochemische Reagenzien, die spezifisch für Zelltypen oder Reste sind, die im normalen oder geschädigten Gehirn vorliegen, wie beispielsweise Silberfärbemittel und Antikörper gegen Neurofilament, gliales fibrillares saures Protein, S100, Mikrotubulus-assoziiertes Protein, normales oder phosphoreliertes Tau und synaptische Proteine; biochemische Bewertung der metabolischen Aktivität, wie z. B. mit einem MTT-Test, oder der zellulären Undichtigkeit, wie z. B. mit einem Lactat Dehydrogenase (LDH)-Test; Messung des gesamten oder spezifischen Proteingehalts; oder Bewertung der zellulären Funktion, wie beispielsweise der synaptischen Aktivität. Vorzugsweise wird die neurale Aktivität durch Messung der Sekretion, wie z. B. der löslichen β-Amyloid-Vorläuferprotein-Sekretion unter Grundbedingungen oder der Neurotransmitter-Ausschüttung unter Stimulation, aufgezeichnet. Eine Stimulation kann durch elektrische Stimulation, ionische Depolarisation (typischerweise mit hohem Kalium) oder durch Anwendung einer Neurotransmitter-Substanz ausgeführt werden. Die ausgeschütteten Substanzen, die typischerweise gemessen werden, sind Neurotransmitter, die in Neuronen vorhanden sind, wie z. B. Acetylcholin, γ-Aminobuttersäure (GABA), Glutamat, Catecholamine und Neuropeptide. Ein Fachmann kann leicht jede der zur Zeit bekannten Lebensfähigkeits-Testverfahren zur Verwendung für die vorliegende Erfindung anpassen.
  • Anwendung der Testsubstanz
  • Zu Beginn eines Experiments wird eine organotypische Schnittkultur üblicherweise in eine Kulturschale mit Medium überführt. Das Kulturmedium kann entweder eine Testverbindung vor der Einbringung der Gewebesektion aufweisen, oder eine Testverbindung kann zu dem Medium zugegeben werden, nachdem die Gewebesektion in die Kulturschale gelegt wurde. Generell wird eine Testsubstanz zuerst in einem geeigneten Träger gelöst, wie z. B. in DMSO, Wasser, physiologische Kochsalzlösung oder Medium, ist aber nicht darauf beschränkt, um eine Vorratslösung zu machen, die dann in das Medium verdünnt wird. Im Allgemeinen wird ein Trägerkontrolltest angeschlossen, wenn die vorliegende Erfindung angewendet wird.
  • Vorzugsweise wird eine Bandbreite an Dosierungen getestet. Der Testbereich kann am Anfang durch Vorwissen über die Wirkungen der Substanz oder nahverwandter Substanzen auf gereinigte Enzyme, β- Amyloidbildung von Zellkulturen, oder Toxizität in anderen Testsystemen aufgestellt werden. Bei Nichtvorhandensein solchen Wissens beträgt der Dosierungsbereich vorzugsweise etwa 1 nM bis etwa 100 μM. Ein Fachmann kann leicht einen Testbereich für jede spezielle Verbindung oder Verbindungsserien entwickeln.
  • Die Verbindung wird typischerweise auf die Gewebesektion für etwa 4 Stunden bis etwa 21 Tage, vorzugsweise etwa 1 Tag bis etwa 7 Tage angewendet. Im Falle von langzeitiger Anwendung kann frisches Medium, das die Verbindung enthält, regelmäßig zugeführt werden; häufiger, wenn ein schneller Verlust der Verbindung durch chemische Umwandlung oder Abbau vermutet wird.
  • Testverbindung
  • Verbindungen, die mit dem obigen Verfahren getestet werden, können statistisch ausgewählt oder rational ausgewählt oder entworfen werden. Wie hier verwendet, wird eine Verbindung statistisch ausgewählt genannt, wenn die Verbindung willkürlich ohne Berücksichtigung der Struktur anderer identifizierter, aktiver Verbindungen gewählt wird. Ein Beispiel von statistisch ausgewählten Substanzen ist die Verwendung einer chemischen Bibliothek (engl.: chemical library), einer peptidkombinatorischen Bibliothek (engl.: library), einer Wachstumsbrühe eines Organismus oder eines Pflanzenextrakts.
  • Wie hier verwendet, wird eine Verbindung rational ausgewählt oder entwickelt genannt, wenn die Verbindung auf einer nicht-statistischen Basis ausgewählt wurde. Eine rationale Auswahl kann auf dem Ziel der Wirkung basieren, oder auf der Struktur von vormals bestimmten aktiven Verbindungen. Speziell können Verbindungen rational ausgewählt oder rational entwickelt werden durch Verwenden der Struktur von Verbindungen, die gegenwärtig für die Verwendung bei der Behandlung der Alzheimerschen Krankheit untersucht werden.
  • Die Verbindungen der vorliegenden Erfindung können beispielsweise Peptide, kleine Moleküle, Vitaminderivate, sowie Kohlenhydrate sein. Ein Fachmann kann leicht erkennen, dass es keine Beschränkung für die strukturellen Eigenschaften der Verbindungen der vorliegenden Erfindung gibt.
  • Bewertung der Wirkungen der Verbindung
  • Am Ende der Testperiode, dem Zeitraum, in dem die Testverbindung mit der Schnittkultur in Kontakt ist, wird die Lebensfähigkeit der Zellen in der Schnittkultur und die Höhe/der Grad der Amyloidbildung durch behandelte Kulturen und Kontrollkulturen bewertet. Eine Vielzahl von dem Fachmann bekannten Verfahren kann angewendet werden, um die Menge von vorliegendem β-Amyloid zu bestimmen. Solche Verfahren schließen folgende ein, sind aber nicht darauf beschränkt: Bestimmen der Menge der β-Amyloid-Sekretion ins Kulturmedium durch Verwendung von Immunopräzipitation (Zhong et al. (1994) J. Biol. Chem. 16, 1217912184; Higaki et al. (1995) Neuron 14, 651–659); Radioimmuntest (Naidu et. al. (1995) J. Biol. Chem. 270, 1369– 1374); Enzym-verknüpfter Immuntest (Vigo-Pelfrey et al. (1993) J Neurochem 61, 1965–1968; Suzuki et al. (1994) Science 264: 1336–1340; Asami-Odaka et al. (1995) Biochemistry 34, 10272–10278); Gelelektrophorese und Western-Blot-Verfahren unter Verwendung von konzentriertem oder reinem Medium, angepasst für behandelte organotypische Gehirnschnitte und organotypische Gehirnschnitte zur Kontrolle. Lösliches β-Amyloid im Schnittgewebe kann durch Zubereitung eines Gewebehomogenats und Anwendung einer Immunopräzipitation, eines Radioimmuntests, Enzym-verknüpften Immuntests, einer Gelelektrophorese oder eines Western-Blot-Verfahrens gemessen werden, um Amyloid zu detektieren. Abgelagertes β-Amyloid kann biochemisch oder durch Zählen der Amyloid-Ablagerungen oder -Plaques bewertet werden. Biochemisches, unlösliches Material, das aus Zentrifugationspellets von Hirnhomogenaten enthalten wurde, kann, wie gerade für Hirnhomogenate oben beschrieben, bewertet werden. β-Amyloid-Plaques und -Ablagerungen können durch histochemische Standardfärbemittel, wie z. B. Silber, Thioflavin S oder Kongorot, durch Immunohistochemie unter Verwendung von Anti-β-Amyloid-Antikörpern (Higgins et al. (1994) Ann. Neurol. 35, 598–607; Higgins et al. (1995) Proc. Natl. Acad. Sci., USA, 92, 4402–4406), oder durch Ablagerung von 125I-β-Amyloid auf vorhandene Ablagerungen in dem Schnitt, gefolgt von einer Autoradiographie (Maggio et al. (1992) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 89, 5462– 5466) sichtbar gemacht werden. Der Fachmann kann Detektionsverfahren für β-Amyloid gut für die Verwendung bei der vorliegenden Erfindung anpassen.
  • Bei der Durchführung der vorliegenden Erfindung kann die β-Amyloid-Sekretion aus dem Hirngewebe, die β-Amyloid-Ablagerung im Hirngewebe und das β-Amyloid, das im Hirngewebe vorhanden ist, unabhängig voneinander in getrennten Experimenten/Behandlungen bestimmt werden, oder alternativ können zwei oder mehr der β-Amyloid-Klassen in einer einzigen Testprobe bestimmt werden. Im Allgemeinen ist es bevorzugt, die β-Amyloid-Sekretion aus dem Hirngewebe, die β-Amyloid-Ablagerung im Hirngewebe und das β-Amyloid, das im Hirngewebe vorhanden ist, für jede Testverbindung zu bestimmen.
  • Zusätzlich zum Messen der β-Amyloidbildung ist es bevorzugt, dass eine Messung des Umfangs des lebensfähigen Gewebes in den Schnitten, die Amyloid bilden, gemacht wird. Diese Messung wird verwendet, um die Werte für β-Amyloid im Medium zu normieren, und als Mittel zum Bestimmen der Toxizität eines Testmittels. Im Allgemeinen wird der Lebensfähigkeitstest am Anfang des Experiments durchgeführt. Vorzugsweise wird ein Test, der dem Schnitt keinen Schaden zuführt, sowohl am Anfang als auch am Ende des Testzeitraumes verwendet. Eine solche Verwendung stellt die höchste Genauigkeit bereit und erlaubt eine gründliche Bewertung der Toxizität der Verbindung. Wenn das nicht möglich ist, wird entweder ein Überlebenstest am Anfang des Experiments durchgeführt oder es wird an einer Schwesterkultur ein Test angewendet, der die Schnitte zerstört.
  • Identifizierung von β-Amyloid-verringernden Verbindungen
  • Die Mittel, die bei dem vorliegenden Verfahren verwendet werden, werden nach dem Grad, in dem sie die β-Amyloidbildung verringern, und dem Grad der gezeigten Toxizität eingeteilt. Die am meisten bevorzugten Verbindungen, die mit dem vorliegenden Verfahren identifiziert werden, sind nicht-toxisch, wobei keine Verringerung der Lebensfähigkeit zwischen behandelten und nicht-behandelten Kulturen zu sehen ist. Jedoch können niedrige Toxizitätsgrade für bestimmte Verwendungen zulässig sein (z. B. für ein anfängliches Testen und Entwicklung einer Verbindung). Die bevorzugten Verbindungen werden β-Amyloid-Sekretion/-Ablagerung/-Bildung um mehr als 50% verringern. Mehr bevorzugt wird die β-Amyloid-Sekretion/-Ablagerung/-Bildung um mehr als 90% verringert, und am meisten bevorzugt wird die gesamte β-Amyloid-Sekretion/-Ablagerung/-Bildung eliminiert.
  • Diese Beispiele beabsichtigen, die Erfindung zu veranschaulichen, aber nicht zu beschränken.
  • Beispiel 1
  • Prüfen von Verbindungen mit organotypischen Hirnschnittkulturen aus Ratten
  • Präparierung der Kulturen. Acht Tage alte neonatale Rattenjunge wurden in einem sterilen Abzug schnell mit einer Schere enthauptet und an einer Seite aufgesägt. Das Gehirn wurde schnell in ein gepuffertes Seziermedium überführt, das 100 ml MEM, 1 ml Penizillin/Streptomycin, 1 ml 100 × Tris Stammlösung (10 ml Endkonzentration, pH 7,2) enthielt, steril gefiltert und gekühlt war. Die Hippocampi wurden unter einem Seziermikroskop isoliert und im Seziermedium in einen sterilen Abzug überführt. Das Gewebe wurde auf einem Maclllwain-Gewebeschneider mit einem sterilen Pinsel angeordnet und 400 μm-Sektionen hergestellt. Ungefähr 30 Sektionen pro Tier wurden erhalten. Die Sektionen werden durch starkes Herumwirbeln der Petri-Schale, die die Sektionen im Kulturmedium, das aus 25% Pferdeserum, 25% Hanksches-Medium, 50% Minimal-Essential-Medium, 1 ml Penizillin/Streptomycin, 0,5 ml L-Glutamin bestand, enthielt, getrennt. Die Sektionen wurden mit einem Seziermikroskop begutachtet und beschädigtes Gewebe wurde entfernt. Die ausgewählten Sektionen wurden in Tropfen von Seziermedium mit Pasteurpipetten gehandhabt, die eingeritzt, gebrochen und danach feuerpoliert wurden, um einen geeigneten Röhrendurchmesser zu erzeugen, und auf Millipore-Kulturplatteneinlagen in 35 mm-Platten, die 1 ml Kulturmedium enthielten, oder in 6-Napf-Platten, die 1,2 ml Kulturmedium enthielten, gelegt. Die Platten, die Einsätze und Medium enthielten, wurden auf 37°C und 5% CO2 voräquilibriert. Drei bis sechs Schnitte wurden auf jeder Einlage angeordnet. Überschüssiges Medium wurde vom Schnitt abgezogen und die Kultur in einem Inkubator bei 37°C und 5% CO2 gelegt. Die Kulturen wurden bis zu 3 Monate gehalten. Das Medium wurde nach 24 Stunden ausgetauscht und im Folgenden in Intervallen von 3 bis 4 Tagen. Das Medium, das für die organotypischen Schnittkulturen von Hippocampus konditioniert war, wurde für die Tests aufbewahrt.
  • Charakterisierung der Kulturen. Organotypische Hirnschnittkulturen wurden während der ersten Woche in Kultur täglich begutachtet und danach alle paar Tage. Während der ersten Woche flachen die organotypischen Hirnschnitte ab und spreizen sich, obwohl die Gewebearchitektur erhalten bleibt. Es wurden Wachstumskegel beobachtet, die am Rand der Schnitte auftauchten und während der ersten Woche erschienen Gliazellen am Rand des Schnittes. Die Wachstumskegel wurden später zurückgezogen. Die Gliazellen verblieben am Rand der Schnitte, wuchsen aber nicht über den Schnittkörper. Die zelluläre Organisation und Zusammensetzung wurde für die Schnitte, die in Kultur gehalten wurden, in 1-Wochen-Intervallen von eins bis acht Wochen bewertet, um zu bestätigen, dass die zelluläre Morphologie, Zusammensetzung und Organisation der des intakten Hippocampus gleicht.
  • Die Immunohistochemie wurde unter Verwendung von Synaptophysin, Wachstums-assoziiertes Protein 43 (GAP-43), Mikrotubulus-assoziiertem Protein 2 (MAP-2) und Neurofilament 200 -Antikörpern durchgeführt, um Neuronen und S-100 sichtbar zu machen, und von glialen-sauren-fibrillären Protein (GFAP)-Antikörper, um Gliazellen sichtbar zu machen, gemäß folgendem Protokoll:
  • Organotypische Schnittkulturen wurden auf der Kultureinlage gehandhabt. Die Einlage wurde unter Verwendung einer Pinzette zwischen den Kulturplatten, die die adäquate Behandlung enthielten, bewegt. Zuerst wird das Medium von der Kultur durch mehrere Spülungen mit Phosphat-gepufferter Kochsalzlösung PBS (100 mM NaCl, 10 mM NaPO4, pH 7,4) gewaschen. Das Gewebe wurde für zwei Stunden bei Raumtemperatur durch Inkubation mit frisch-hergestelltem 4%igem -dehyd in PBS fixiert. Das Fixierungsmittel wurde durch 2 × 2-minütige Spülungen mit PBS entfernt. Die Aktivität der endogenen Peroxidase wurde durch eine 30-minütige Inkubation mit 0,3% Wasserstoffperoxid unterdrückt, danach 10 Minuten mit PBS und weitere 10 Minuten mit PBS mit 0,2% Gelatin gespült. Danach wurden sie in PBS/10% Ziegenserum/0,1% Nonident P-40 für eine Stunde geblockt und 2 × 10 Minuten mit PBS gespült. Der Erstantikörper wurde mit der angegebenen, in 0,2%-igem Gelatin enthaltenden PBS, Verdünnung angewendet und über Nacht in einer befeuchteten Kammer inkubiert. Nach 3 × 3 Spülungen mit PBS/Gelatin wurden die Kulturen mit einem Zweitantikörper (entsprechend entweder Anti-Maus oder Anti-Kaninchen, mit einem Vectastain Elite-Immunohistochemie-Kit bereitgestellt) in PBS/Gelatin bei 37°C für 30 Minuten inkubiert. Das Vectastain Elite-ABC-Reagenz wurde gemäß Herstellerangaben zubereitet. Nach 3 × 3-minütigen Spülungen mit PBS/0,2% Gelatin, wurden die Kulturen bei 37°C für 30 Minuten mit dem ABC-Reagenz inkubiert. Die Immunoreaktivität wurde durch Entwicklung mit einem 3,3'-Diaminobenzidin (DAB)-Kit von Vektor-Labs sichtbar gemacht und gemäß Anweisungen zubereitet und mit Wasser gespült. Die Entwässerung wurde durch 2-minütige Inkubationen mit 35%-, 50%-, 70 %-, 90%- und 2 × 100%-igem Ethanol durchgeführt. Die Kulturen wurden für zwei bis vier Minuten mit Hämatoxylin gegengefärbt und solange mit Wasser gespült, bis es klar war. Das Entfärben der Einlage selbst erfolgte für 30 Sekunden mit 0,5%-iger Salzsäure in 70%-igem Ethanol mit nachfolgendem Spülen mit Leitungswasser. Nach Trocknen an Luft wurden einzelne Schnitte aus der Einlage geschnitten und auf einem Objektträger unter Verwendung von Gel montiert, mit Deckplättchen abgedeckt und mit Nagellack verschlossen. Typische Mikrofotographien sind in 1 bereitgestellt.
  • Kresylviolett-, Hämatoxylin- und Toluidinblau-Färbung wurde durch Fixierung der Kulturen in Paraformaldehyd, wie oben beschrieben, durchgeführt. Hämatoxylin (Sigma) wurde für 2–4 Minuten angewendet, wonach die Kulturen mit Wasser gespült und in Ethanol, wie oben beschrieben, aufgearbeitet wurden. Kresylviolett und Toluidinblau wurden als Stammfarblösung von 0,1% in destilliertem Wasser hergestellt. Die Färbelösung wurde als 20%-ige Lösung in 0,2 M Acetatpuffer, pH 4,45, hergestellt: 3 Teile 0,2 M Essigsäure, 2 Teile 0,2 M Natriumacetat, 5 Teile Wasser. Die Färbezeit betrug 20 Minuten für beide Färbungen. Die Kulturen wurden mit Wasser gespült, in Ethanol entwässert, getrocknet und wie oben beschrieben montiert.
  • Die β-Amyloid 1-40-Sekretion ins Medium wurde durch Sammeln des Mediums, das während der ersten 24 Stunden in Kultur, während Tag 1 bis 4 in Kultur und während Tag 16 bis 20 in Kultur konditioniert wurde, untersucht. Aliquots des konditionierten Mediums wurden unter Verwendung eines Sandwich-ELISAs getestet, um das β-Amyloid 1-40 durch eine von zwei Möglichkeiten zu messen. Als erstes wurden zwei identische 100 μl Proben direkt im ELISA getestet. Als zweites wurden 3 ml vereinigtes Medium aus drei getrennten Kulturkammern konzentriert und gleichzeitig von einigen anderen Bestandteilen durch Aufbringung auf Sep-Pak C18-Säulen und Elution in Acetonitril abgetrennt. Die 50%-Elutionsfraktion, von der vormals gezeigt wurde, dass sie Amyloid enthält, wurde aufgefangen, getrocknet, in einem kleinen Puffervolumen wieder aufgenommen und im ELISA getestet. Die Ergebnisse der beiden Tests stimmten gut überein und zeigen leicht messbare Mengen von β-Amyloid 1-40 in konditioniertem Medium, selbst in Abwesenheit eines Aufkonzentrierungsschritts (siehe 2).
  • Anwendung der Verbindung. Zwei Testverbindungen wurden ausgewählt, die als positiv für das Absenken der β-Amyloid-Aktivität in Zellkulturtests bewertet waren und als nicht-toxisch bei den gleichen Zellen bewertet waren. Diese Verbindungen wurden an Meerschweinchen getestet und als stark-toxisch für Gehirngewebe befunden. Das vorliegende Beispiel wurde verwendet, um zu zeigen, dass ein Schnitttest ein besserer Vorhersager der in-vivo-Aktivität ist als der Zellkulturtest.
  • Testverbindungen wurden in DMSO gelöst, um 100 × Stammlösungen herzustellen. Die Stammlösungen wurden weiter mit Kulturmedium verdünnt, um Endkonzentrationen von 0,1 μM – und 100 μM – Verbindungen zu ergeben. Das Medium wurden in Platten bei 37°C und 5% CO2 voräquilibriert. Die Kultureinlagen, die drei organotypische Rattenhirnschnitte, die von 8 Tage alten Ratten erhalten wurden, hielten, und für zwei Wochen in Kultur gehalten wurden, wurden in ein Testlösung-enthaltendes Medium überführt. Das Medium wurde gesammelt und frisches Medium, das Testlösung enthielt, wurde in 24 Stunden-Intervallen für 10 Tage bereitgestellt. Organotypische Hirnschnittkulturen wurden täglich begutachtet. Die visuelle Beobachtung zeigte einen Verlust an Gewebeintegrität durch verdunkelte Stellen im Zentrum des Schnittes, einen Verlust der zellulären Schichtorganisation und letztlich einen Verlust von Gewebe am Rand des Schnittes.
  • Bewertung der Toxizität. Die Toxizität wurde visuell unter Präparier- und invertierten Licht-Mikroskopen bewertet. Am Ende des Experiments wurden die Kulturen zur Antisynaptophysin-Antikörper-Immunreaktivität aufgearbeitet. Beide Testverbindungen waren als nicht-toxisch über den in diesem Experiment getesteten Konzentrationsbereich in einem Zell-basierten Test unter Verwendung eines Tests zur Mitochondrienfunktion (MTT-Test) zur Messung der Lebensfähigkeit bewertet worden. Das in-vivo-Testen der ersten Verbindung zeigte eine deutliche Toxizität, wie durch die Histochemie von Hirnsektionen von behandelten Meerschweinchen bewertet. Die visuelle Beobachtung der behandelten organotypischen Schnittkulturen zeigten nach 5– 6 Tagen Behandlung eine offenkundige Toxizität und ein stark nekrotisches Erscheinungsbild am Ende des 10-tägigen Experiments. Die Immunohistochemie bestätigte diese Bewertung. Somit war der organotypische Schnitt-Test ein besserer Vorhersager der in-vivo-Ergebnisse als der Zellbasierte Test. Die zweite Verbindung wurde in einem Zell-basierten Test ebenfalls als nicht-toxisch eingeteilt und hatte eine etwas weniger starke, aber dennoch deutlich toxische Wirkung auf die organotypischen Schnittkulturen. Wie durch die Ergebnisse des organotypischen Schnittkulturtests vorhergesagt, war diese Verbindung weniger toxisch als die erste, obwohl eine deutliche Toxizität beobachtet wurde.
  • Genaue Beschreibung von 1. Organotypische Schnittkulturen wurden auf der Kultureinlage während des Färbeverfahrens unter Verwendung einer Pinzette gehandhabt, um die Einlage zwischen den Kulturplatten, die die geeignete Behandlung enthielten, zu bewegen. Zuerst wurde das Medium von der Kultur durch mehrere Spülungen mit Phospat-gepufferter Kochsalzlösung PBS (100 mM NaCl, 10 mM NaPO4, pH 7,4) gewaschen. Das Gewebe wurde für zwei Stunden durch Inkubation bei Raumtemperatur mit frisch-hergestelltem 4%-igem Paraformaldehyd in PBS fixiert. Das Fixierungsmittel wurde durch 2 × 2 minütige Spülungen in PBS entfernt. Die endogene Peroxidaseaktivität wurde durch eine 30-minütige Inkubation mit 0,3%-igem Wasserstoffperoxid unterdrückt und 10 Minuten in PBS und 10 Minuten in PBS mit 0,2% Gelatin gespült. Danach wurden sie in PBS/10% Ziegenserum/0,1% Nonident P-40 für eine Stunde geblockt und für 2 × 10 Minuten in PBS gespült. Der Primärantikörper wurde mit der angegebenen in mit 0,2%-iger Gelatin enthaltendem PBS bereiteten Verdünnung angewendet und über Nacht in einer befeuchteten Kammer inkubiert. Nach 3 × 3 minütigen Spülungen mit PBS/Gelatin wurden die Kulturen mit einem Zweitantikörper (entsprechend entweder Anti-Maus oder Anti-Kaninchen, mit einem Vectastain Elite-Immunohistochemie-Kit bereitgestellt) in PBS/Gelatin bei 37°C für 30 Minuten inkubiert. Das Vectastain ABC-Reagenz wurde gemäß Herstellerangaben zubereitet. Nach 3 × 3-minütigen Spülungen mit PBS/0,2% Gelatin wurden die Kulturen bei 37°C für 30 Minuten mit dem ABC-Reagenz inkubiert. Die Immunoreaktivität wurde durch Entwicklung mit einem 3,3'-Diaminobenzidin (DAB)-Kit von Vector-Labs sichtbar gemacht und gemäß Anweisungen zubereitet und mit Wasser gespült. Die Entwässerung wurde durch 2-minütige Inkubationen mit 35%-, 50%-, 70%-, 90%- und 2 × 100%-igem Ethanol ausgeführt. Die Kulturen wurden für 2–4 Minuten mit Hämatoxylin gegengefärbt und solange mit Wasser gespült, bis es klar war. Das Entfärben der Einlage selbst erfolgte für 30 Sekunden mit 0,5%-iger Salzsäure in 70%-igem Ethanol mit nachfolgendem Spülen mit Leitungswasser. Nach Trocknen an Luft wurden einzelne Schnitte aus der Einlage geschnitten und auf einen Objektträger unter Verwendung von Gel montiert, mit Deckplättchen abgedeckt und mit Nagellack verschlossen. Das obere Feld zeigt eine typische Mikrophotographie eines aus Ratte präparierten organotypischen Schnitts des Hippocampus, der neun Wochen in Kultur gehalten wurde und unter Verwendung eines Antisynaptophysin-monoklonalen Antikörpers gefärbt wurde. Ein CA-1-Feld ist bei 20-facher Vergrößerung gezeigt. Das untere, linke Feld ist eine typische Mikrophotogrpahie eines aus Ratte präparierten organotypischen Schnitts des Hippocampus, der für viereinhalb Wochen in Kultur gehalten wurde und unter Verwendung eines Antineurofilament 200-monoklonalen Antikörpers gefärbt wurde und mit 20-facher Vergrößerung aufgenommen wurde. Das untere rechte Feld ist eine typische Mikrophotographie eines aus Ratten präparierten, organotpyischen Schnitts vom Hippocampus, der für 10 Wochen in Kultur gehalten wurde, und unter Verwendung eines antiglialen-sauren-fibrillären Protein (GFAP)- monoklonalen Antikörpers gefärbt und bei 40-facher Vergrößerung aufgenommen wurde. Die gezeigte Immunoreaktivität sind Standardmarker für Synapsen, neuronale Körper bzw. Astrozyten. Die normale Zell- und Gewebemorphologie ist dargestellt.
  • Beispiel 2
  • Bewertung von organotypischen Schnittkulturen aus transgenen Mäusen
  • Präparierung der Kulturen. 10 Tage alte Mäusejunge, die für die 751-Aminosäure-Isoform des menschlichen β-Amyloid-Vorläufer-Proteins (β-APP) transgen sind und zur neuronalen Expression durch einen Neuronenspezifischen Enolasepromotor programmiert sind, wurden als Gewebequelle für organotypische Schnittkulturen des Hippocampus verwendet. Die Kulturen wurden wie die organotypischen Hirnschnittkulturen aus Ratten, wie in Beispiel 1 beschrieben, präpariert.
  • Bewertung der Lebensfähigkeit. Die Hirnschnittkulturen der transgenen Mäuse wurden jeden zweiten Tag mit einem Sezier- und einem invertierten Licht-Mikroskop begutachtet. Zu verschiedenen Zeiten wurden Schnitte zur histochemischen Untersuchung unter Verwendung von Kresylviolett und Hämatoxylin entnommen, um die Zellmorphologie und organotypische Anatomie zu unterscheiden, und von Synaptophysin -und GFAP-Immunohistochemie, um die Morphologie von Neuronen bzw. Glia-Zellen zu bewerten.
  • Bewertung der β-Amyloid-Sekretion. Konditioniertes Medium wurde von einzelnen Kulturkammern, die drei organotypische Schnitte des Hippocampus enthielten, während des ersten 24-Stunden-Zeitraums in vitro und nachfolgend während Intervallen von 3–4 Tagen gesammelt. Zwei 100 μl-Proben dieser konditionierten Mediumproben wurden für drei Kulturkammern, jeweils für Kulturschnitte des Hippocampus aus drei Donor-Tieren, direkt im Sandwich-ELISA getestet, wobei man β-Amyloid 1-40 oder β-Amyloid 1-42 detektiert. Die Ergebnisse dieses Experiments zeigen, dass die Amyloid-Sekretion aus organotypischen Kulturen des Hippocampus von transgenen Mäusen [1] leicht auf einem Niveau detektierbar ist, das die Messung der inhibitorischen Aktivität ermöglicht, [2] für 5–20 Tage stabil ist, [3] zu einem Grad gebildet wird, der unabhängig von einzelnen Donor-Tieren ist und [4] eine akzeptabel niedrige Variablitiät zwischen den Kulturkammern zeigt. Die Ergebnisse des β-Amyloid 1-40 ELISA-Tests sind in 3 gezeigt.
  • Beispiel 3
  • Testen von Verbindungen mit organotypischen Schnittkulturen aus transgenen Mäusen
  • Präparierung der Kulturen. Organotypische Schnittkulturen des Hippocampus wurden wie in Beispiel 2 beschrieben aus 10 Tage alten Mäusen, die für die 751-Aminosäure-Isoform des menschlichen β-Amyloid-Vorläufer-Proteins (β-APP) transgen sind, zur neuronalen Expression durch den Neuronen-spezifischen Enolasepromotor programmiert sind und für 10 Tage in Kultur gehalten wurden, präpariert.
  • Bewertung der Lebensfähigkeit. Die Kulturen wurden visuell etwa jeden zweiten Tag begutachtet. Am Anfang des Testens der Verbindung wurde am Tag 10 in Kultur eine quantitative Bewertung der Lebensfähigkeit durchgeführt. Die Hirnschnitte wurden durch Gabe eines kaliumreichen (54 mM) Mediums für 5 Minuten depolarisiert. Die Einlagen wurden einem 2 × 2-minütigen Waschen in Medium, das bei 37°C und 5% CO2 voräquilibriert war, unterzogen und in den Inkubator zurückgestellt. Kaliumreiches Medium, das durch die Schnitte während des Depolarisationszeitraums konditioniert wurde, enthielt Reste, die durch synaptischen Vesikel sekretiert wurden. Dieses Medium wurde in zwei Aliquots geteilt und auf γ-Aminobuttersäure (GABA) und Glutamat, zwei Peptidneurotransmitter, die im Hippocampus vorliegen, getestet. Das Medium wurde zweckmäßig unter Verwendung von ELISAs getestet, die mit handelsüblichen Antikörpern, die für GABA und Glutamat spezifisch sind, entwickelt wurden. Das dritte Aliquot wurde verwendet, um Acetylcholin (ACh), ein Neurotransmitter, der früh im AD-Hippocampus wirksam ist, unter Verwendung eines radiomarkierten, cholinergen Antagonist-Austauschtests, der ACh-rezeptortragende Membranen verwendet, zu testen. Diese Tests stellen ein quantitatives Maß des Umfangs an lebensfähigen Gewebe, das auf jeder Einlage vorliegt, dar, zeigen die intakte, synaptische Aktivität und fügen den Kulturen keinen Schaden zu.
  • Anwendung der Testverbindung. Die Testverbindung wurde in DMSO gelöst, um eine 100 × Stammlösung herzustellen, und weiter mit Kulturmedium bis zu den geeigneten Endkonzentrationen verdünnt. Diese betrugen üblicherweise 100 nM bis 100 μM an Verbindung, sofern nicht die bekannte Information über die Aktivität und Toxizität der Verbindung etwas anderes vorgibt. Eine 1%-ige DMSO-Kontrolle zur Endkonzentration des Trägers wurde eingeschlossen. Das Medium wurde bei 37°C und 5% CO2 voräquilibriert, bevor die Kultureinlage auf die neue Platte überführt wurde, und das Medium wurde alle 48 Stunden ausgetauscht, um frische Verbindung bereitzustellen. Das konditionierte Medium wurde zur Bewertung aufbewahrt. Die Kulturen wurden täglich visuell begutachtet. Die Anwendung der Testverbindung wurde für 10 Tage fortgesetzt.
  • Bewertung der Lebensfähigkeit. Am Ende der Testperiode wurde konditioniertes Medium von dem letzten Testintervall gesammelt und die synaptische Aktivität wurde durch Depolarisation mit kaliumreichem Medium getestet, gefolgt von einer Messung von sekretiertem GABA und Glutamat, wie oben beschrieben.
  • Bewertung der Absenkung der β-Amyloid-Aktivität. Konditioniertes Medium von jedem Intervall des Testzeitraums wurde unter Verwendung eines ELISA-Tests auf den β-Amyloidgrad getestet. Die Daten, die durch dieses Verfahren erzeugt wurden, stellen sowohl eine Beziehung zur Dosisantwort als auch zu dem Zeitverlauf für jede getestete Dosis bereit. Da unterschiedliche Mengen an lebensfähigem Gewebe in jeder Kultureinlage vorliegen können, um als Amyloidquelle zu dienen, wurden die β-Amyloidwerte in dem konditionierten Medium unter Verwendung der sekretierten Transmitterwerte am Anfang des Experiments normiert. Die Toxizität wurde durch Vergleichen der Werte des sekretierten Transmitters am Anfang und am Ende des Experiments evaluiert. Die Verbindungen, die am Ende des Experiments im Verhältnis zum Anfang eine Abnahme bei der Transmitterfreisetzung erzeugen, werden erachtet, einen toxischen Effekt zu haben. In diesem Fall kann der Abfall des β-Amyloidgrades eher der Toxizität als einer spezifischen Wirkung auf die β-Amyloidbildung zugerechnet werden. Abgelagertes β-Amyloid wurde durch Immunohistochemie unter Verwendung des Anti-β-Amyloid-Antikörper mAb 4.1 bewertet, um die Anzahl der Amyloidablagerungen und Plaques pro Bereich in den behandelten Schnitten gegenüber den Kontrollschnitten zu erfassen.
  • Beispiel 4
  • Testen von Verbindungen mit organotypischen Schnittkulturen aus transgenen Mäusen
  • Präparierung der Kulturen. Organotypische Schnittkulturen aus Hippocampus wurden wie in Beispiel 2 beschrieben aus 10 Tage alte Mäusen, die für die 751-Aminosäure-Isoform des menschlichen β-Amyloid-Vorläufer-Proteins (β-APP) transgen sind, zur neuronalen Expression durch den Neuronen-spezifischen Enolasepromotor programmiert sind, und sechs Wochen in Kultur gehalten wurden, präpariert.
  • Genaue Beschreibung von 4. Organotypische Schnittkulturen aus Hippocampus wurden aus für β-APP 751-transgenen Mäusen präpariert. Am Tag 21 in-vitro wurden die organotypischen Kulturen zweimal mit Medium gewaschen, und zwei identische Kammern wurden für einen Konditionierungs-Zeitraum von 3 Tagen in Medium inkubiert, das mit 25 μM bis 400 μM MDL 28170, einem Proteaseinhibitor, von dem gezeigt wurde, dass er die vollständige β-Amyloidbildung in der Zellkultur mit einer IC50 von 100 μM inhibiert, ergänzt wurde. MDL 28170 wurde aus 100 × Stammlösungen, die in DMSO hergestellt wurden, angewendet. Die Kontrollkultur erhielt nur DMSO. Das konditionierte Medium wurde am Tag 24 entnommen und doppelt auf β-Amyolid 1-40 unter Verwendung eines Sandwich-ELISAs getestet. Organotpyische Kulturen wurden zweimal mit serumfreiem Medium gewaschen und für weitere 24 Stunden in serumfreiem Medium bei fortgesetztem Vorliegen von MDL 28170 inkubiert. Dieses konditionierte Medium wurde auf Laktat-Dehydrogenase (LDH)-Aktivität getestet. LDH ist ein allgegenwärtiges, zytosolisches Enzym, das nur von ungesunden Zellen in das konditionierte Medium sekretiert wird, und ist ein Maß für die Lebensfähigkeit und Toxizität. Hohe Pegel an LDH-Aktivität im Serum erfordern, dass die Messungen in serumfreiem konditionierten Medium durchgeführt werden. Die gezeigten Messpunkte wurden zuerst durch Mittelwertbildung der doppelten ELISA-Werte für jede Kammer berechnet, und anschließendem Berechnen der Mittelwerte für die doppelten Behandlungskammern berechnet.
  • Bewertung der β-Amyloid Inhibitoraktivität und Toxizität. Die Kulturen wurden etwa jeden zweiten Tag visuell begutachtet. Vor dem Beginn des Verbindungstestes wurde am Tag 18 in Kultur ein Testzeitraum von 3 Tagen begonnen, in dem das Medium durch unbehandelte Kulturen konditioniert wurde. Dieses Medium wurde gesammelt und auf die β-Amyloid 1-40 und 1-42 -Pegel unter Verwendung von empfindlicher ELISAs getestet. Organotypische Kulturen wurden dann zweimal mit Medium gewaschen und über einen Konditionierungszeitraum von weiteren 3 Tagen in Medium inkubiert, das mit 25 μM bis 400 μM MDL 28170, einem Proteaseinhibitor, von dem gezeigt wurde, dass er die gesamte β-Amyloidbildung in Zellkultur mit einer IC50 von 100 μM inhibiert, ergänzt wurde. Die Kontrollkultur erhielt nur DMSO. Nachdem das konditionierte Medium am Tag 21 gesammelt wurde, wurden die organotpyischen Kulturen zweimal mit serumfreien Medium gewaschen und für weitere 24 Stunden in serumfreiem Medium bei fortgesetztem Vorhandensein von MDL 28170 inkubiert. Dieses konditionierte Medium wurde auf Laktatdehydrogenase (LDH)-Aktivität getestet. LDH ist ein allgegenwärtiges, zytosolisches Enzym, das in das konditionierte Medium nur von ungesunden Zellen sekretiert wird und ist ein Maß für die Lebensfähigkeit und Toxizität. Hohe Pegel an LDH-Aktivität in Serum erfordern, dass die Messungen in serumfreiem konditionierten Medium durchzuführen sind. Danach wurden die organotpyischen Schnittkulturen aus Hippocampus in Medium gespült, das Serum aber keinen Wirkstoff enthielt, und ermöglicht, frisches Medium für drei Tage zu konditionieren. Dieses Medium wurde auf β-Amyloid 1-40 und 1-42 mit den gleichen ELISAs getestet, um zu bestimmen, ob die MDL-Aktivität in dem organotypischen Hirnschnittsystem reversibel ist, so wie es bei kultivierten, monotypischen Zellen der Fall ist. Diesem Test folgte eine 24-stündige Konditionierungsperiode mit serumfreiem Medium, um zu bestimmen, ob die toxische Effekte von MDL 28170 ebenso reversibel ist. 4 veranschaulicht, dass die IC50 von MDL 28170 100 μM für die β-Amyloidbildung durch organotypische Schnittkulturen aus dem Hippocampus von transgenen Mäusen beträgt, wie es auch für eine Vielzahl von monotypischen Zellkulturen der Fall ist. Zusätzlich wurde eine Inhibition bei Abwesenheit von Toxizität gezeigt, was nicht durch die visuelle Begutachtung oder durch den LDH-Test offensichtlich war, bis die Konzentration der Testverbindung 400 μM erreicht hatte.

Claims (11)

  1. Verfahren zum Identifizieren von β-Amyloid-verringernden Mitteln, umfassend folgende Stufen: a) Herstellen einer organotypischen Hirnschnittkultur, b) Bestimmen der Lebensfähigkeit von Zellen in der organotypischen Hirnschnittkultur, c) Aufbringen einer Testverbindung auf die organotypische Hirnschnittkultur, d) Bestimmen der Lebensfähigkeit und der β-Amyloid-Bildung (i) der behandelten organotypischen Hirnschnittkultur von Stufe (c) und (ii) einer nicht-behandelten organotypischen Hirnschnittkultur und e) Identifizieren einer Verbindung, die die β-Amyloid-Bildung verringert, jedoch die Lebensfähigkeit der Zelle oder andere Zellfunktionen nicht verändert, wobei die organotypische Hirnschnittkultur von (a) und die unbehandelte organotypische Hirnschnittkultur von (d) nicht von einem menschlichen Fötus stammen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die organotypische Hirnschnittkultur aus Hirngewebe zubereitet wird, das aus Ratten, Kaninchen, Meerschweinchen, Mäusen oder Affen isoliert worden ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei es sich beim Säugetier um ein transgenes Säugetier handelt, das mit dem Ziel zur Bildung von β-Amyloidprotein verändert worden ist.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei es sich bei der organotypischen Hirnschnittkultur um ein aus Hippocampus oder Cortex erhaltenes Explantat handelt.
  5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei es sich bei der organotypischen Hirnschnittkultur um einen Gewebeschnitt mit einer Dicke von etwa 400 bis 500 μm handelt.
  6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die organotypische Hirnschnittkultur vor der Behandlung mit einer Testverbindung etwa 1 bis 4 Wochen in Kulturmedien gehalten wird.
  7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Lebensfähigkeit der organotypischen Hirnschnittkultur bestimmt wird durch: visuelle Inspektion unter einem Mikroskop; Färbung unter Verwendung von vitalen Farbstoffen; Färbemittel und immunohistochemische Reagenzien, die spezifisch für Zelltypen oder Reste sind, die in normalen und geschädigten Gehirnen vorliegen; Antikörper gegen Neurofilament, gliales, fibrilläres, saures Protein, S100, Mikrotubulus-assoziiertes Protein, normales oder phosphoryliertes tau-Protein und synaptische Proteine; biochemische Bestimmung der metabolischen Aktivität; Messung des gesamten oder spezifischen Proteingehalts; Bestimmung von zellulären Funktionen; oder Bestimmung von neuralen Aktivitäten.
  8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Lebensfähigkeit der organotypischen Hirnschnittkultur durch Messung der zellulären Sekretion eines löslichen β-Amyloid-Vorläuferproteins oder der Neurotransmitter-Sekretion bestimmt wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Neurotransmitter-Sekretion durch elektrische Stimulation, ionische Depolarisation und Anwendung einer Neurotransmittersubstanz stimuliert wird und wobei die Anwesenheit eines Neurotransmitters, der unter Acetylcholin, γ-Aminobuttersäure (GABA), Glutamat, Catecholaminen und Neuropeptiden ausgewählt ist, bestimmt wird.
  10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Betrag der sezernierten β-Amyloid-Bildung im Kulturmedium, der Bildung von löslichem β-Amyloid im organotypischen Hirnschnittkulturgewebe und des abgeschiedenen β-Amyloids bestimmt wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Bildung des sezernierten β-Amyloids durch Immunopräzipitation, ELISA, Gelelektrophorese oder Western-Blotting bestimmt wird; die Bildung von löslichem β-Amyloid durch Immunopräzipitation, ELISA, Gelelektrophorese, RIA oder Western-Blotting bestimmt wird und die Bildung von abgeschiedenem β-Amyloid durch biochemische Bestimmung oder visuelle Inspektion und Gewebeschnittfärbung bestimmt wird.
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