Development of optical biomarkers for high-throughput early-stage diagnostics of Alzheimers disease in developing countries Utveckling av optiska biomarkörer för tidig och effektiv diagnostik av Alzheimers sjukom i utvecklingsländer Alzheimer’s disease is one of the most disastrous neurodegenerative disorders and is connected with the deposition of amyloid beta plaques and neurofibrillary tangles (NFTs) composed of tau proteins in the brain. Currently, there are no drugs available for the treatment of this disease except those which treat the symptoms. With increased welfare and aging population Alzheimer’s disease shows a pandemic development also in the third world. There is an urgent need for efficient and cheap diagnostic tools that can be used in the field, outside main hospitals, to screen large populations. Positron Emission Tomography (PET) for brain imaging is currently the most commonly used diagnostic technique for Alzheimer’s disease, which, however, is very expensive and involves the exposure of the body to high energy radiation. It is also possible to diagnose the disease and monitor its progress by measuring the loads of amyloid beta plaques and NFTs in collected samples of the cerebrospinal fluid (CSF). Therefore, as an alternative to PET, one can use optical imaging biomarkers on collected samples of CSFs to estimate the population of amyloid andtau fibrils that are associated with AD. This requires only a cheap hand-held optical equipment. In this proposal, we aim to optimize optical fluorescent probes with high affinity and specificity for amyloid and tau fibrils and so to contribute to a high-throughput Alzheimer’s diagnostic tool for the developing countries. Det goda med enzymer och proteiner i människokroppen är att de kan utföra många reaktioner och styra livsviktiga processer såsom lagring och frigörelse av energi, andning, reproduktion och mycket annat. Till deras dåliga sidor hör att de inte alltid formerar sig till de naturliga tillstånd som är nödvändiga för deras funktion. I stället kan de bilda strukturer som leder till sjukdomar. Det finns mer än 30 oika sjukdomar som orsakas av sådana strukturellaförändringar i proteiner. Alzheimers sjukdom är en sådan neurodegenerativ sjukdom och svarar för 60-70% av demensfallen hos människor. Den förknippad med aggregation, dvs ihopklumpning, av s.k. amyloid betaprotein och tauprotein. Med sjukdomsutvecklingen störs kommunikationen mellan neuronerna i hjärnan av olösliga plack av betaproteiner. Ansamlingar av tauproteiner Inom neuronerna försvagar mikrostrukturerna och stör näringstransporten vilket leder till att neuronen dör. Det finns en stark korrelation mellan mängden amyloid beta och tau fibriller i hjärnan och Alzheimers sjukdom och genom att övervaka fibrill belastningen kan sjukdomsutvecklingen följas. Vanligen används PET-spårämnen för detta ändamål (positron emissions kameror). Problemet är att PET-spårämnen inte är specifika och att de har en begränsad bindningsförmåga genemot fibrillerna. En annan aspekt av Alzheimers sjukdom vi ämnar studera är möjligheten att utnyttja terapeutiska molekyler. Även om diagnos av Alzheimers sjukdom har varit lyckosam med hjälp av PET-spårämnen finns det ännu ingen medicin för att bota denna sjukdom. De tillgängliga medicinerna kan bara mildra symptomen förknippade med sjukdomen. Sålunda avser vi också studera möjligheten att lösa upp amyloid- och taufibrillerna med speciella ämnen som tillsätts så de kan elimineras från hjärnan. Även om det har rapporterats om flera fibrillförstörande molekyler i in-vitro experiment så förblir mekanismen för fibrillers lösningsförmåga oförstådd. Vår avsikt är här att ge insikt på mikroskopisk nivå som kan användas för rationell design av fibrillförstörande molekyler för terapeutiskt bruk. Förutom att bidra till diagnostiska PET-spårämnen och terapeutiska fibrillförstörande molekyler, avser detta projekt att bidra till förståelse av de mer fundamentala aspekterna av aggregation av amyloidbildande proteiner. Det finns många sådana proteiner,såsom amyloida betaprotein och tauprotein, synuklein, amylin, superoxiddismutas, Huntingtons protein och prionprotein som är kända för att vecka sig till sekundär betastrukturer som tenderara att aggregera. Vi avser alltså att utröna bakgrunden till sådana tendenser hos dessa proteiner att bilda aggregat. Dessutom, för att designa strukturbaserade PET-spårämen är det nödvändigt att känna till målfibrillets struktur. Förutom amyloid-betafibrillerna, är strukturerna inte kända vilket kan förklaras av de olösliga och icke-kristallina egenskaperna hos dessafibriller. Vi kommer att använda kraftfältsbaserade modeller för att beräkna strukturerna hos dessa fibriller. I synnerhet, för design av nya PET-spårämnen för tau-visualisering är detta nödvändigt. Därefter, för att testa specificiteten hos PET-spårämnen, behöver man studera deras växelverkan med andra fibriller. Fibrillstrukturerna som vi får från våra modellstudier av andra amyloidbildande proteiner kommer att användas för detta ändamål. Sammafattningsvis - vi kommer att bidra till alla tre aspekter av Alzheimers sjukdom, nämligen grunderna föraggregation, diagnos och terapi. Vi avser att studera processerna för aggregationsbildning av de amyloidbildande proteinerna och föreslå strukturer för deras oligomerer och fibriller. Genom att använda dessa strukturer, så ämnar vi designa målspecifika PET-spårämnen med hög affinitet. Vidare kommer vi att designa molekyler vilka kan användas för att lösa upp amyloid- och taufibriller som sedan kan frigöras från cellerna. För modellering av aggregaten använder vi oss av molekyldynamik. För beräkningen av bindningsaffiniteterna kommer tillförlitligheten hos nuvarande beräknigsverktyg för molekylär dockning och molekylmekanik, i kombination med kvantmekanik och s.k. generaliserad Born-area metod, att utvärderas och lämpliga förbättringar kommer att göras föra att öka deras noggrannhet och förutsägbarhet av experimentella konstanter. Vi tror att vårt projekt kan ge ett synligt bidrag till grundförståelse såväl som till praktiska resultat i form av mät-molekyler av relevans för Alzheimers sjukdom.