Can the retina be a window to the changing brain in Alzheimer's disease?

Abstract

Alzheimer’s disease (AD) became the most common neurodegenerative disorder worldwide, as a consequence of a growing elderly population. AD is a multifactorial disorder characterized by the accumulation of amyloid-beta (Aβ) plaques followed by neurofibrillary tangles of hyperphosphorylated tau protein leading to a massive neuronal loss and brain homeostasis disruption. These alterations result in severe cognitive impairments and memory loss having a huge impact in AD patient’s life. So far, AD does not have a cure or efficient treatments, possibly because they are applied at too advanced stages when neuronal loss is irreversible. Thus, there is an urgent need to drive forward improvements in healthcare and early diagnosis in order to change the current framework.Recently, the retina, which is an extension of the brain, became an interesting research tool to investigate brain diseases since it is also affected during the AD course. When compared with brain, the retina has the advantage of being less complex structurally and easily more accessible to non-invasive exploration. Although there are several imaging techniques able to assess retinal alterations, many questions remain to be solved before using the retina as an instrument to diagnose early neurodegenerative alterations in the brain.In the present study, our main objective was to clarify whether the retina can in fact mirror AD brain pathology, focusing on the early molecular and cellular changes occurring in both retina and brain. This would be essential to use the retina as a reliable window/mirror of the brain pathology for the early diagnosis of AD.Based on several changes described on AD brain pathology, we assessed a large set of biological parameters in hippocampus, cortex and retina from 3xTg-AD animal model and age-matched wild-type animals (C57BL6/129S) in two early timepoints (4 and 8 months).The assessment of key molecular players involved in AD pathophysiology revealed an early accumulation of Aβ peptides in hippocampus and cortex, but not in the retina, whereas phosphorylated tau protein levels increased in the three regions analyzed. The amyloid precursor protein levels and β-secretase enzyme levels and activity remain unchanged, which suggest that the accumulation of Aβ peptides is due to Aβ clearance deficits at these early timepoints. The synaptic dysfunction and neuronal loss observed in AD pathology was not observed in 3xTg-AD mice at 4 and 8 months of age by evaluating synaptic protein levels and apoptotic cell death, respectively. Changes observed in GFAP protein levels in the hippocampus and retina suggest an increase of astroglial plasticity, whereas no differences in the number and distribution of microglia and Müller cells were noted. The increase of GFAP levels in the hippocampus at 4 months correlates with increased Aβ levels at this timepoint. The posterior analysis of mitochondrial metabolism suggests that there is an attempt to maintain a healthy mitochondrial pool and to restore the energy demands in hippocampus and cortex at 8 months, whereas in the retina no similar changes were observed.Taken together, this group of results does not support the hypothesis that the retinal pathology mirrors brain alterations in the 3xTg-AD animal model, at least at the early timepoints analyzed. The assessment of later timepoints is necessary to draw more consistent conclusions.

Como consequência do envelhecimento populacional, a doença de Alzheimer (DA) tornou-se a doença neurodegenerativa mais frequente em todo o mundo. A DA é uma doença multifatorial caracterizada pela acumulação de placas de β-amilóide (Aβ) e de tranças neurofibrilares constituídas maioritariamente pela proteína tau hiperfosforilada, as quais levam a uma perda neuronal massiva e consequente perda da homeostasia neuronal. Estas alterações resultam em défices cognitivos graves comprometendo, na grande maioria das vezes, a memória dos pacientes. Os tratamentos existentes disponíveis para a DA não são eficazes, possivelmente porque são administrados em fases demasiado avançadas da doença, quando a perda neuronal é irreversível. Assim, existe uma necessidade urgente de melhorar os tratamentos disponíveis e o diagnóstico precoce da doença.A retina, tal como o cérebro, faz parte do sistema nervoso central, e recentemente tornou-se uma ferramenta interessante para investigar doenças cerebrais, uma vez que também é afetada em pessoas com doenças degenerativas do cérebro. A retina tem algumas vantagens relativamente ao cérebro. É uma estrutura menos complexa e mais acessível. Embora existam várias técnicas de imagem capazes de avaliar as alterações na retina, muitas questões ainda necessitam de ser esclarecidas antes de se poder utilizar a retina como uma ferramenta para diagnosticar precocemente alterações neurodegenerativas no cérebro.No presente estudo, o principal objetivo consistiu em esclarecer se a retina pode, de facto, espelhar a patologia do cérebro na DA, tendo como foco uma avaliação, em paralelo, das alterações moleculares e celulares precoces que ocorrem na retina e no cérebro. A clarificação desta questão será essencial para utilizar a retina como uma janela/espelho que permita avaliar com confiança a patologia do cérebro de modo a permitir um melhor diagnóstico precoce da AD.Tendo como base as várias alterações celulares e moleculares cerebrais descritas na DA, avaliou-se um conjunto de parâmetros biológicos no hipocampo, córtex e retina de um modelo animal de DA (3xTg-AD) e de animais controlo (C57BL6/129S), em dois estadios precoces da doença (4 e 8 meses de idade).A avaliação dos principais marcadores moleculares envolvidos na fisiopatologia da DA revelou uma acumulação precoce de péptidos Aβ no hipocampo e no córtex, mas não na retina. Os níveis de proteína tau fosforilada aumentaram nas três regiões analisadas. Os níveis de proteína precursora amilóide, bem como os níveis e atividade da enzima β-secretase permaneceram inalterados, sugerindo que a acumulação de péptidos Aβ será devida a défices na remoção de Aβ nestes estadios iniciais.Não se detetou disfunção sináptica e perda neuronal, características da DA, nos murganhos 3xTg-AD, aos 4 e 8 meses de idade. As alterações observadas nos níveis de proteína GFAP no hipocampo e na retina sugerem um aumento da plasticidade astroglial. O aumento dos níveis de GFAP no hipocampo aos 4 meses ocorreram paralelamente ao aumento dos níveis de Aβ. Não foram detetadas alterações nas células da microglia e nas células de Müller.A análise do metabolismo mitocondrial sugere que haverá uma tentativa de manter uma população mitocondrial saudável e de restaurar as necessidades energéticas no hipocampo e no córtex, aos 8 meses, enquanto que paralelamente, na retina, não se registaram alterações.Os resultados obtidos não suportam a hipótese de que a retina reflete alterações cerebrais presentes no modelo animal 3xTg-AD, pelo menos nas fases precoces da doença. É necessário proceder à avaliação de estadios posteriores para se poderem tirar conclusões mais consistentes.