Synthesis of Multifunctional Molecules from Curcumin Derivatives with Application in Alzheimer's Disease

Abstract

Alzheimer’s disease (AD) is one of the most common neurodegenerative diseases and the most prevalent form of dementia in population over 65 years old. It was declared the seventh cause of death in the world in 2019 and remains an urgent matter to the scientific and medical world. Disease manifestations include cognitive and functional decline which aggravate throughout a long period of time. AD affects the central nervous system (CNS), as it leads to neuronal death mainly in the cortex and hippocampus, areas responsible for complex cognitive tasks and spatial and memory functions, respectively. The main neuropathological alterations on AD patient’s brain include extracellular accumulation of Aβ peptide plaques and formation of hyper-phosphorylated tau protein neurofibrillary tangles inside the neurons, besides selective neuronal death and neuroinflammation caused by immune response activation. Clinically, AD manifests as recent memory loss and impaired cognitive judgement, accompanied by mood swings, disorientation and, on long-term, delirium.Despite the continuous research being made, there is still no disease modifying treatment, and current approved drugs merely attenuate symptomatology. Understanding the disease’s pathological mechanisms is crucial in order to find a cure or to slow disease’s progression.Curcuma longa L. is a medicinal plant widely used and studied for its large spectrum of biological activities, including antibacterial, anti-inflammatory, antioxidant and hypoglycemic, amongst many others. Curcumin – the main phenolic compound present in the rhizome of Curcuma longa – is considered the bioactive component and has been previously explored in the context of metabolic diseases by the investigation group. Since curcumin’s use as a therapeutic agent is still hindered for its poor bioavailability, synthetic derivatives have been exploited as a strategy to contradict the aforementioned pharmacological limitation. Accordingly, this dissertation aimed at exploring new synthetic pathways, potentially more sustainable, for creating multi-functional molecules from curcuminoid derivatives, with potential interest on AD. Then, considering the anti-inflammatory and hypoglycemic profile of two curcumin derivatives – previously reported by the group, both in vitro and in vivo – in the context of metabolic diseases, the screening of the same compounds in the context of neurodegenerative disorders was hypothesized. First, different synthetic approaches were tested to obtain the proposed multi-functional molecules, yet unsuccessfully. In chemico and in vitro studies were carried to evaluate the derivative’s potential application on AD. The antioxidant activity of curcumin and derivative AL27 were assessed using two different colorimetric, electron-transfer methods: ABTS and DPPH. Permeability of curcumin, derivative AL20 and derivative AL27 across the blood-brain barrier was predicted based on the Parallel Artificial Membrane Permeability Assay, and the activity of the three compounds against BACE1 was quantified using the -Secretase (BACE1) Activity Detection Kit. Finally, the compound’s capacity to decrease Aβ42 levels was quantified in vitro using a human APP-Overexpressing (N2a-APP) cell line as an AD’s cellular model. Cellular viability was evaluated in parallel.Curcumin and the tested curcuminoid derivatives presented differences in biological activities quantification, as expected from chemical structure alterations. Despite the promising results previously obtained for derivative AL27 in the context of metabolic diseases, present data is not entirely satisfactory in terms of amyloidogenic cascade. However, the overall outcome of derivative AL27 in chemico and in vitro studies may suggest its possible positioning in a neurodegenerative disease context. The referred compound presented high permeability through the BBB and high BACE1 activity inhibition rate. Besides, cell viability was not compromised after exposure to the compound and the derivative’s anti-inflammatory activity surpasses derivative AL20 and curcumin itself, as previously described. Further research upon other biomarkers is necessary in order to conclude on the potential use of derivative AL27 as a drug candidate for the treatment of Alzheimer’s disease.

A Doença de Alzheimer é uma das doenças neurodegenerativas mais comuns e a forma mais prevalente de demência na população com mais de 65 anos. Foi declarada a sétima causa de morte a nível mundial em 2019 e mantém-se um tema urgente no mundo científico e médico.As manifestações da doença incluem declínio cognitivo e físico, que se agravam ao longo de um extenso período de tempo. A doença de Alzheimer afeta o sistema nervoso central (CNS), conduzindo à morte neuronal principalmente no córtex e no hipocampo, áreas responsáveis por tarefas cognitivas complexas e funções espaciais e de memória, respetivamente.As principais alterações neuropatológicas no cérebro de pacientes com doença de Alzheimer incluem acumulação extracelular de placas formadas pelo péptido Aβ e formação de tranças neurofibrilares de proteína tau hiperfosforilada dentro dos neurónios, além da morte neuronal seletiva e neuro-inflamação provocada pela ativação da resposta imunológica. Clinicamente, a doença de Alzheimer manifesta-se como perda da memória recente e comprometimento do julgamento cognitivo, acompanhados de alterações de humor, desorientação e, a longo prazo, delírio.Apesar da contínua investigação a ser realizada, ainda não existe um tratamento modificador da doença, e os medicamentos atualmente aprovados atenuam meramente a sintomatologia. Compreender os mecanismos patológicos da doença é crucial para encontrar uma cura ou reduzir a progressão da doença.Curcuma longa L. é uma planta medicinal muito usada e estudada pelo seu amplo espectro de atividades biológicas, incluindo antibacteriana, anti-inflamatória, antioxidante e hipoglicemiante, entre muitas outras. A curcumina – o composto fenólico maioritariamente presente no rizoma da Curcuma longa – é considerada o componente ativo e foi anteriormente explorada no contexto de doenças metabólicas pelo grupo de investigação. Como o uso da curcumina como agente terapêutico continua comprometido devido à sua baixa biodisponibilidade, derivados sintéticos têm sido explorados como estratégia de contrariar a limitação farmacológica suprarreferida.Assim, esta dissertação visou explorar novas vias de síntese, potencialmente mais sustentáveis, de moléculas multifuncionais com potencial interesse na doença de Alzheimer, a partir de derivados curcuminóides. Posteriormente, considerando o perfil anti-inflamatório e hipoglicemiante de dois derivados curcuminóides – reportado anteriormente pelo grupo, in vitro e in vivo – no contexto de doenças metabólicas, o screening destes mesmos compostos no contexto das doenças neurodegenerativas foi colocado como hipótese.Primordialmente, diferentes estratégias de síntese foram utilizadas para obter as moléculas multifuncionais propostas, embora sem sucesso. Estudos in chemico e in vitro foram realizados para avaliar a potencial aplicação dos derivados curcuminóides na doença de Alzheimer. A atividade antioxidante da curcumina e do derivado AL27 foram testadas recorrendo a dois métodos colorimétricos envolvendo reações de transferência eletrónica: ABTS e DPPH. A permeabilidade da curcumina, do derivado AL20 e do derivado AL27 através da BBB foi prevista com base no PAMPA (Parallel Artificial Membrane Permeability Assay) e a atividade dos três compostos contra a BACE1 foi quantificada utilizando um kit de deteção da atividade da β-Secretase (BACE1). Por fim, a capacidade dos compostos reduzirem os níveis de Aβ42 foi quantificada in vitro, usando uma linha celular com a mutação que induz sobreexpressão da proteína humana APP (N2a-APP) como modelo celular da doença de Alzheimer. A viabilidade celular foi avaliada em paralelo.A curcumina e os derivados testados apresentaram diferenças na quantificação das atividades biológicas referidas, como seria expectável pelas alterações na estrutura química dos compostos. Apesar dos resultados promissores obtidos anteriormente para o derivado AL27 no contexto de doenças metabólicas, os dados atuais não foram inteiramente satisfatórios relativamente à cascata amiloidogénica. No entanto, o comportamento geral do derivado AL27 face aos testes in chemico e in vitro apresentados, sugerem a hipótese da sua aplicação no contexto de doenças neurodegenerativas. O composto referido apresentou elevada permeabilidade através da BBB e elevada capacidade de inibição da atividade da BACE1. Além disso, a viabilidade celular não foi comprometida após exposição ao composto e a atividade anti-inflamatória ultrapassa a do derivado AL20 e da própria curcumina, como descrito anteriormente. A continuação da investigação é necessária para se poder concluir em relação ao potencial uso do derivado AL27 como um candidato a fármaco para o tratamento da doença de Alzheimer.