Analysis of miRNA expression in Alzheimer’s disease. Potential use as early biomarkers

Abstract

La Enfermedad de Alzheimer (EA) es un desorden neurodegenerativo caracterizado por la pérdida temprana de sinapsis seguida por una degeneración progresiva y déficits de memoria que derivan en demencia. A día de hoy, la EA solo puede ser diagnosticada clínicamente en sus estadios más tardíos, cuando la degeneración ya se ha extendido a distintas áreas cerebrales, dificultando que posibles terapias sean capaces de detener su progreso. Evidencias recientes han demostrado que los niveles de microRNAs (miRNAS) específicos están alterados durante la patología, sugiriendo que algunos de estos pequeños ARNs no codificantes podrían estar involucrados en el desarrollo de la enfermedad. Sin embargo, al comienzo de este proyecto doctoral, el papel de los miRNAs durante la EA era en gran parte desconocido. Es interesante que varios miRNAs han sido detectados en dendritas, donde pueden estar regulando la expression de proteínas sinápticas, apuntando a que miRNAs específicos pueden jugar un papel durante la disfunción sináptica asociada a la EA. Por otro lado, los miRNAs pueden ser detectados en biofluidos circulantes, planteando su posible como biomarcadores para el diagnóstico temprano de la enfermedad. Por lo tanto, ya que se cree que las alteraciones en la función sináptica están relacionadas con el deterioro congitivo leve (DCL), es razonable asumir que los niveles en plasma de miRNAs específicos relacionados con plasticidad sináptica puedan predecir el progreso de la EA. Es por esto que la hipótesis de esta tesis doctoral es que la alteración Alteración de miRNAs relacionados con plasticidad sináptica están asociados con la patología Alzheimer, y que su detección en fluidos circulantes puede ser una estrategia prometedora para el diagnóstico temprano de la EA. Para evaluar esta hipótesis, he estudiado los niveles de miRNAs candidatos relacionados con proteínas sinápticas en tejido de cerebro humano en diferentes estadios de la enfermedad, y en modelos experimentales, incluyendo un modelo murino y una aproximación in vitro. Además, los niveles de estos miRNAs fueron examinados en muestras de plasma obtenidas de controles sanos y de pacientes DCL y EA. Un aumento de los miR-92a-3p, miR-181c-5p y miR-210-5p fue observado en neuronas hipocampales tratadas con oAβ, en línea con un aumento de estos miRNAs en diferentes áreas cerebrales durante el desarrollo de la enfermedad. Aunque no se observaron cambios en el modelo de ratón, un aumento en los tres miRNAs se detectó en plasma de pacientes DCL y EA. Cabe destacar que el análisis de la curva ROC indica que cuando los tres miRNAs se combinan, su valor diagnóstico aumenta tanto para la detección de DCL como para EA. Considerando la necesidad imperante de encontrar biomarcadores fiables que puedan detector la enfermedad durante su fase preclínica, sugerimos el posible uso de esta firma molecular para el diagnóstico temprano de la EA.

Alzheimer’s disease (AD) is a neurodegenerative disorder characterized by early loss of synapses followed by progressive neurodegeneration and memory deficits, eventually leading to dementia. To date, AD can only be clinically diagnosed in its later stages, when neurodegeneration has already spread to several brain areas, making it difficult for potential therapies to prevent its progression. Recent evidence has shown that levels of specific microRNAs (miRNAs) are altered during AD pathology, suggesting that some of these small non coding RNAs could be involved in the development of the disease. However, at the beginning of this doctoral project, the role of miRNAs during AD pathology was largely unexplored. Interestingly, several miRNAs have been detected in dendrites, where they regulate expression of synaptic proteins, suggesting that miRNAs can play a role during AD-associated synaptic dysfunction. On the other hand, miRNAs can be detected in circulating biological fluids, raising the possibility of using them as biomarkers for diagnosis of incipient AD. Therefore, since it is believed that alterations in synaptic function are related to mild cognitive impairment (MCI), it is feasible to assume that plasma levels of specific plasticity-related microRNAs could predict AD progression. Thus, the hypothesis of this doctoral thesis is that alterations of synaptic plasticity-related miRNAs are associated to AD pathology, and their detection in circulating fluids could represent a promising strategy for early diagnosis of AD. To test this hypothesis I evaluated the levels of candidate miRNAs related to synaptic proteins in human brain at different stages of AD pathology, and in experimental models including a transgenic mice model and an in vitro approach. Furthermore, I examined the levels of specific miRNAs related to synaptic proteins in plasma samples obtained from controls, MCI and AD patients. An upregulation of miR-92a-3p, miR-181c-5p and miR-210-5p was observed in hippocampal neurons after exposure to oAβ, consistent with an increase in human brain in different brain areas during AD development. Although no changes were observed in the experimental animal model, the three miRNAs were upregulated in plasma samples from MCI and AD subjects. Importantly, the receiver operating characteristic curve analysis indicates that when the three miRNAs are combined, the diagnostic accuracy for MCI and AD improves compared to each miRNA alone. Considering the urgent need of finding reliable biomarkers that could detect AD at early (preclinical) stages, we suggest the potential use of this molecular signature for early diagnosis of AD.