Neurotrophic uncoupling of IGF-1 in Alzheimer�s disease: translation into early diagnosis and involvement of lifestyle risk factors

Resumen

SUMMARY Insulin-like growth factor 1 (IGF-1) is a circulating hormone that is mainly produced by the liver in response to the growth hormone from the adenohypophysis. Previous data from our laboratory have shown that, in the adult, IGF-1 is able to cross the blood-brain barrier (BBB) to enter the central nervous system (CNS) through a tonic (constitutive) and a phasic mechanism. The last process is coupled to neuronal activity, what means that active brain areas accumulate IGF-1 from the blood, and as a result it has been named ¿neurotrophic coupling¿. On the other hand, Alzheimer¿s disease (AD) is the most prevalent neurodegenerative disease and a major cause of dementia among the worldwide population. Despite a century of research has elapsed, its etiology and pathogenesis are yet to be fully defined. As a result, it remains one of the biggest medical challenges of our time. Due to the recent failure of many clinical trials based on the amyloid cascade hypothesis, there is an unmet need to find new etiological hypothesis and to reach an earlier diagnosis of AD. Previous experiments done on our laboratory demonstrated that IGF-1 plays a protective role in AD by clearing amyloid beta (Aß) away from the brain and resolving chronic neuroinflammation. Based on this and on abundant literature describing an impaired central insulin system in AD, we posited the existence of a dysfunction in IGF-1 access to the brain that would play a pathogenic role in AD and would be an early event in disease progression. With the project I hereby present as my PhD thesis, I intended to test this hypothesis and to try to translate the potential outcomes into an early diagnostic tool for AD. Environmental enrichment (EE) is an experimental protocol used for diffuse physiological stimulation of the brain and so susceptible of inducing IGF-1 input to the engaged brain areas. However, little was known about the regulation of the latter and, because of it, we decided to study it in more detail. Because cell signaling of growth factors is tightly regulated in time and IGF-1 is one of the most potent mitogens in the organism, we hypothesized that its entrance to the brain would be similarly limited in homeostasis. As a result, we found out that in wild type (WT) animals the response to IGF-1 was maximal after 2h of EE in the hippocampus, whereas mice with liver IGF-1 deficiency did not display any activation of the IGF-1 receptor (IGF-1R). At longer exposures of EE there were fluctuations in the levels of phosphorylated (active) IGF-1R, which ultimately led to the development of tolerance in the chronic stimulation of one month. When we analyzed the response of asymptomatic AD mice (APP and APP/PS1) to acute EE, we detected that their expected response was dramatically impaired as compared to WT controls. We discovered an intrinsic brain resistance to IGF-1 in AD mice that we considered the main cause of the observed disrupted transport of circulating IGF-1 into the CNS. Previous findings of the laboratory suggested that IGF-1 enhances neuronal excitability and others had reported that peripheral insulin modified the electroencephalogram (EEG) in humans. Taking this into account we proposed that systemically injected IGF-1 would affect brain electrical activity. We confirmed this in WT anaesthetized mice, in which IGF-1 was able to potentiate the fast component of the electrocorticogram (ECoG). As for AD mice, the injection of IGF-1 did not exert any effect on the ECoG (in APP/PS1) or it did it feebly (APP). Because this pattern perfectly matched that of the phospho-IGF-1R evoked by EE, we believe this test is an easily accessible and non-invasive way of determining brain IGF-1 sensitivity. If ECoG/EEG response to a peripheral injection of IGF-1 was diminished, this might be used as a biomarker of AD. Nonetheless, this ought to be done in concurrence with other biomarkers used for risk assessment of AD in healthy subjects, such as those detecting amyloidopathy or subtle neurodegeneration before the onset of clinical symptoms. To further explore the pathogenic implications of IGF-1 system in sporadic AD we have recently started using a diet-induced model of the metabolic syndrome (MetS), an established risk factor for dementia. So far we have identified that, after a short time, a high-fat diet (HFD) induces the entrance of IGF-1 in the cerebrospinal fluid (CSF) of WT mice. This may be related to the prolonged hippocampal IGF-1 signaling and the dendritic abnormalities seen in the dentate gyrus and CA1 regions of diet-induced obese (DIO) mice. Nevertheless, more work is still needed to assess the true role of IGF-1 brain signaling in these events, also including other pathogenic markers found in DIO brains such as the increase in mitochondria fission and tau abnormal phosphorylation. ------------------------------------------------------------------ RESUMEN El factor de crecimiento insulínico de tipo 1 (IGF-1) es una hormona circulante que se produce principalmente en el hígado en respuesta a la hormona del crecimiento adenohipofisaria. Datos previos del laboratorio han demostrado que, en el adulto, IGF-1 es capaz de cruzar la barrera hematoencefálica para entrar al sistema nervioso central a través de un mecanismo tónico (constitutivo) y/o fásico. El último está asociado a la actividad neuronal, lo que implica que en áreas activas del cerebro se acumula IGF-1 de la sangre, y por ello es que se ha denominado ¿acoplamiento neurotrófico¿. Por otra parte, la enfermedad de Alzheimer es la más prevalente de entre las neurodegenerativas y la mayor causa de demencia en la población mundial. A pesar de que ya ha pasado un siglo de investigación, su etiología y patogenia aún no están del todo definidas. Como consecuencia, continúa siendo uno de los mayores retos clínicos de nuestra era. Debido al reciente fracaso de muchos ensayos clínicos apoyados en la hipótesis de la cascada amiloide, existe una gran necesidad de encontrar nuevas hipótesis etiológicas y de adelantar el diagnóstico de la enfermedad de Alzheimer. Experimentos previos del laboratorio muestran que IGF-1 tiene un papel protector en esta patología a través del aclaramiento del péptido beta amiloide (Aß) del cerebro así como de la resolución de la neuroinflamación crónica asociada a la enfermedad. Basándonos en esto y en la abundante literatura que describe la alteración central del sistema de insulina en el Alzheimer, postulamos la existencia de una disfunción temprana en el acceso de IGF-1 al cerebro y que ello podría jugar un rol patogénico en la misma. Con el proyecto que aquí presento como mi tesis doctoral, he intentado probar esta hipótesis y trasladar los posibles resultados hacia el desarrollo de una herramienta de diagnóstico temprano de la enfermedad de Alzheimer. El enriquecimiento ambiental es un protocolo experimental utilizado para la estimulación fisiológica difusa del cerebro y por lo tanto es susceptible de inducir el paso de IGF-1 desde la sangre hacia las zonas cerebrales activas. No obstante, se sabe poco de cómo esto se regula y, por esto, decidimos estudiarlo más en detalle. Debido a que la señalización de los factores de crecimiento se encuentra firmemente regulada en el tiempo y a que IGF-1 es uno de los más potentes mitógenos del organismo, hipotetizamos que su entrada al cerebro se encontraría similarmente controlada en la homeostasis. Mediante experimentos en animales silvestres o wild type (WT) encontramos que la respuesta al enriquecimiento fue máxima tras 2h y en el hipocampo, mientras que ratones sin producción hepática de IGF-1 no mostraban activación del receptor de IGF-1 (IGF-1R). En exposiciones más largas encontramos fluctuaciones en los niveles de IGF-1R fosforilado (activo, pIGF-1R), que en último lugar llevaron al desarrollo de tolerancia en la estimulación crónica de un mes. Cuando analizamos la respuesta al enriquecimiento agudo de los ratones de Alzheimer en etapas asintomáticas (APP y APP/PS1), detectamos que ésta se encontraba dramáticamente alterada en comparación con los controles WT. Descubrimos en estos ratones una resistencia cerebral intrínseca a IGF-1, que consideramos como la causa principal del trastocado transporte de IGF-1 circulante al cerebro. Anteriores hallazgos del laboratorio sugerían que IGF-1 aumenta la excitabilidad neuronal y otros investigadores habían descrito que la insulina periférica modifica el electroencefalograma (EEG) en humanos. Teniendo ambos hechos en cuenta, propusimos que la inyección sistémica de IGF-1 afectaría a la actividad eléctrica del cerebro. Esto fue confirmado en animales WT anestesiados, en los que IGF-1 potenció el componente rápido del electrocortigorama (ECoG). En animales transgénicos modelo de la enfermedad de Alzheimer, la administración intraperitoneal de IGF-1 o bien no tuvo ningún efecto sobre el ECoG (en APP/PS1) o bien fue muy débil (APP). Ya que este patrón encaja a la perfección con lo observado para el pIGF-1R en el enriquecimiento, creemos que esta prueba es una forma no invasiva y fácilmente accesible para la determinación de la sensibilidad cerebral a IGF-1. Si la respuesta del ECoG/EEG a la administración periférica de IGF-1 estuviera disminuida, se podría utilizar como biomarcador de la enfermedad de Alzheimer. Aun así, ello debería hacerse en concurrencia con otros biomarcadores utilizados para la evaluación del riesgo de Alzheimer en sujetos sanos, como por ejemplo aquellos enfocados hacia la detección de amiloidopatía o neurodegeneración sutil previos a la aparición de los síntomas clínicos. Con el objetivo de explorar más en profundidad la implicación patogénica del sistema IGF-1 en el Alzheimer esporádico, hemos comenzado a utilizar recientemente un modelo basado en la inducción de síndrome metabólico (un conocido factor de riesgo para la enfermedad de Alzheimer) a través de la dieta. Hasta ahora hemos encontrado que una dieta rica en grasas induce la entrada de IGF-1 hacia el líquido cefalorraquídeo en animales WT. Este hecho podría estar relacionado con la prolongada señal de IGF-1 hipocampal y las anormalidades dentríticas del giro dentado y CA1 que se observan en los ratones obesos. No obstante, aún es necesario más trabajo para asegurar el verdadero papel de la señalización central de IGF-1 en estos eventos, incluyendo otros marcadores patogénicos encontrados en el cerebro de los animales obesos tales como el incremento de la fisión mitocondrial y la anormal fosforilación de tau.