Interleukin-6 in Alzheimer's disease pathogenesis: Insights from the Tg2576 mouse model

Abstract

La malaltia d'Alzheimer (MA) és un trastorn neurodegeneratiu progressiu caracteritzat per una disminució de les funcions cognitives, pèrdua de memòria i deteriorament de les activitats diàries. L'agregació de pèptids ß-amiloide (Aß) en forma de plaques senils extracel·lulars i de la proteïna tau hiperfosforilada en cabdells neurofibril·lars intracel·lulars, juntament amb un mal funcionament neuronal, pèrdua de sinapsis, neuroinflamació i danys vasculars a les regions cerebrals afectades, contribueixen al desenvolupament i progressió de la malaltia. Malgrat els nombrosos esforços realitzats en recerca, la manca de tractaments eficaços que modifiquin la malaltia de l'Alzheimer posa de manifest la necessitat de continuar investigant els seus mecanismes subjacents. En aquest context, l'ús de models animals, com el model de ratolí Tg2576, és crucial per a desxifrar la patogènesi subjacent, identificar nous biomarcadors i desenvolupar potencials intervencions terapèutiques.

Aquesta tesi es centra en investigar el paper de la interleucina-6 (IL-6), una citoquina important amb accions tant proinflamatòries com antiinflamatòries, en la patogènesi de la MA utilitzant el model de ratolí Tg2576. L'IL-6 regula diversos processos fisiològics, però també té un paper essencial en diverses condicions neuroinflamatòries. En la MA, la desregulació d'aquesta citoquina s'ha associat al procés patològic de la malaltia. El paper de l'IL-6 s'ha avaluat en dos paradigmes principals: (i) neuroinflamació crònica induïda per l'expressió transgènica de l'IL-6 en astròcits i (ii) deficiència sistèmica d'IL-6. Per a això, s'han creuat ratolins Tg2576 amb ratolins GFAP-IL6 o ratolins IL-6 KO, respectivament. Els resultats revelen una interacció complexa entre l'IL-6 i els fenotips del Tg2576, amb l'IL-6 modulant la mortalitat, el pes corporal, diversos trets conductuals i cognitius, el rendiment motor, l'amiloïdosi i la neuroinflamació.

L'IL-6 va potenciar la mortalitat prematura dels ratolins Tg2576, especialment en les femelles, mentre que en els ratolins 'wild type' es va observar el contrari. L'IL-6 també va regular el control del pes corporal en edats avançades i de la quantitat de greix, limitant-los, especialment en els ratolins de tipus 'wild type'. En ratolins Tg2576 joves, l'IL-6 va tendir a millorar l'activitat i l'exploració, i a disminuir l'ansietat, però es van observar resultats mixtos en els animals envellits. La funció motora, deteriorada en els ratolins Tg2576, es va agreujar per l'IL-6, mentre que la memòria espacial a llarg termini i el comportament de nidificació van tendir a ser afavorits per l'IL-6 en les femelles. Pel que fa al procés neuropatològic en els ratolins Tg2576, es va observar que l'expressió i el processament de l'APP es veien influenciats per l'IL-6 específic del SNC, disminuint els nivells de pèptids Aß; totals, però alhora afavorint la producció del pèptid Aß42, més propens a l'agregació i, de manera secundària, la deposició de plaques d'amiloide al cervell. No obstant això, els nivells de pèptids Aß circulants eren normals; en contrast, la deficiència d'IL-6 els va disminuir. Malgrat que l'expressió excessiva d'IL-6 va augmentar significativament la gliosi, aquesta es va reduir significativament al voltant de les plaques d'amiloide. La neuroinflamació associada a les plaques podria no ser rellevant per a l'aparició dels trets estudiats relacionats amb Tg2576.

La manca inesperada d'amiloidosi al cervell d'un subconjunt específic de ratolins Tg2576 qüestiona la comprensió convencional de com els pèptids Aß i les plaques d'amiloide contribueixen a la fisiopatologia dels ratolins Tg2576, suggerint que molts dels trets relacionats amb Tg2576 poden ocórrer de manera independent i indicant una possible contribució de factors o vies alternatives relacionades amb l'APP a les alteracions fenotípiques dels ratolins Tg2576. Aquests resultats posen de manifest la complexitat de la patogènesi de la MA i posen èmfas

La enfermedad de Alzheimer (EA) es un trastorno neurodegenerativo progresivo caracterizado por el deterioro cognitivo, la pérdida de memoria y el deterioro de la función diaria. La agregación de ß-amiloide (Aß) en placas seniles extracelulares y de proteína tau hiperfosforilada en ovillos neurofibrilares intracelulares, junto con una extensa disfunción neuronal, pérdida sináptica, neuroinflamación y daño vascular en las regiones cerebrales afectadas, contribuyen al desarrollo y progresión de la enfermedad. A pesar de grandes esfuerzos de investigación, la falta de tratamientos efectivos que modifiquen la enfermedad de Alzheimer subraya la necesidad de una investigación adicional sobre sus mecanismos subyacentes. El uso de modelos animales, como el modelo de ratón Tg2576, es crucial para desentrañar la patogénesis subyacente, identificar nuevos biomarcadores y desarrollar posibles intervenciones terapéuticas.

Esta tesis se centró en investigar el papel de la interleucina-6 (IL-6), una citocina importante con acciones tanto proinflamatorias como antiinflamatorias, en la patogénesis de la EA utilizando el modelo de ratón Tg2576. IL-6 media en numerosos procesos fisiológicos, pero también tiene un papel en condiciones neuroinflamatorias. En la EA, se ha asociado una desregulación de esta citocina con el proceso patológico de la enfermedad. El papel de IL-6 se ha evaluado en dos paradigmas principales, (i) neuroinflamación crónica provocada por la expresión transgénica de IL-6 en astrocitos, y (ii) deficiencia sistémica de IL-6. Para ello, se cruzaron ratones Tg2576 con ratones GFAP-IL6 o ratones IL-6 KO. Los resultados revelaron una interacción compleja entre IL-6 y los fenotipos de Tg2576, con IL-6 modulando la mortalidad, el peso corporal, varios rasgos conductuales y cognitivos, el rendimiento motor, la amiloidosis y la neuroinflamación.

La mortalidad prematura de los ratones Tg2576 fue favorecida por IL-6, especialmente en las hembras, mientras que en los ratones ¿wild type¿ se observó lo contrario. IL-6 también reguló el control a largo plazo del peso corporal y la grasa, limitándolos, especialmente en los ratones de tipo salvaje. En los ratones jóvenes Tg2576, IL-6 tendió a aumentar la actividad y la exploración, y a disminuir la ansiedad, pero se observaron resultados mixtos en los animales de edad avanzada. La función motora, deteriorada en ratones Tg2576, empeoró debido a IL-6, mientras que la memoria espacial a largo plazo y el comportamiento de anidación parecían ser favorecidos por IL-6 en las hembras. En cuanto al proceso neuropatológico en los ratones Tg2576, se encontró que la sobreexpresión de IL-6 específica del sistema nervioso central influye en la expresión y procesamiento de APP, disminuyendo los péptidos Aß; totales, pero favoreciendo simultáneamente la producción del péptido Aß42 propenso a la agregación y, secundariamente, la deposición de placas de amiloide en el cerebro. Sin embargo, los niveles circulantes de péptidos Aß eran normales; en contraste, la deficiencia de IL-6 los disminuyó. La gliosis, a pesar de aumentar significativamente por la sobreexpresión de IL-6, se redujo significativamente alrededor de las placas de amiloide. La neuroinflamación asociada a las placas puede no ser relevante para la aparición de los rasgos estudiados relacionados con Tg2576. La falta inesperada de amiloidosis en el cerebro de un subconjunto específico de ratones Tg2576 desafía la comprensión convencional de cómo los péptidos Aß y las placas de amiloide contribuyen a la fisiopatología de los ratones Tg2576, lo que sugiere que muchos de los rasgos relacionados con Tg2576 pueden ocurrir independientemente de esto, e indica una posible contribución de factores o vías alternativas relacionadas con APP a las alteraciones fenotípicas de los ratones Tg2576. Estos hallazgos resaltan la complejidad de la patogénesis de la enfermedad de Alzheimer y enfatizan la naturaleza dual de IL-6 en los procesos fisiológicos y neurodegen

Alzheimer¿s disease (AD) is a progressive neurodegenerative disorder characterized by cognitive decline, memory loss, and impaired daily functioning. The aggregation of ß-amyloid peptides (Aß into extracellular senile plaques and hyperphosphorylated tau protein into intracellular neurofibrillary tangles (NFTs), along with extensive neuronal dysfunction, synaptic loss, neuroinflammation, and vascular damage in the affected brain regions, contribute to the disease. Despite extensive research efforts, the lack of effective disease-modifying treatments for AD underscores the need for further research into its underlying mechanisms. The use of animal models, such as the Tg2576 mouse model, is crucial for unraveling the underlying pathogenesis, identifying novel biomarkers, and developing potential therapeutic interventions.

This thesis focused on investigating the role of intereukin-6 (IL-6), a major cytokine with both pro- and anti-inflammatory actions, in AD pathogenesis using the Tg2576 mouse model. IL-6 mediates numerous physiological processes, but also has a role in neuroinflammatory conditions. In AD, a dysregulation of this cytokine has been associated to the pathological process of the disease. The role of IL-6 has been evaluated in two main paradigms, (i) chronic neuroinflammation elicited by transgenic expression of IL-6 in astrocytes, and (ii) systemic IL-6 deficiency. To this end, Tg2576 mice were crossed with either GFAP-IL6 mice or IL-6 KO mice. The results revealed a complex interplay between IL-6 and Tg2576 phenotypes, with IL-6 modulating mortality, body weight, several behavioral and cognitive traits, motor performance, amyloidosis and neuroinflammation.

Premature mortality of Tg2576 mice was favored by IL-6, particularly in females, whereas in wild-type mice the opposite was observed. IL-6 also regulated long-term control of body weight and fat, limiting them, especially in wild-type mice. In young Tg2576 mice, IL-6 tended to enhance activity and exploration, and to decrease anxiety, but mixed results were observed in aged animals. The impaired motor function of Tg2576 mice was further deteriorated by IL-6, whereas long-term spatial memory and nesting behavior seemed to be favored by IL-6 in females. Regarding the neuropathological process in Tg2576 mice, CNS-specific IL-6 overexpression was found to influence APP expression and processing, decreasing total Aß peptides, but simultaneously favoring the production of the aggregation-prone Aß42 peptide and, secondarily, amyloid plaque deposition in the brain. Their circulating Aß peptides levels, however, were normal; in contrast, IL-6 deficiency decreased them. Gliosis, despite being significantly increased by IL-6 overexpression, was significantly reduced surrounding amyloid plaques. Plaque-associated neuroinflammation might not be relevant for the occurrence of the Tg2576-related studied traits.

Interestingly, the unexpected lack of amyloidosis in the brain of a specific subset of Tg2576 mice, challenges the conventional understanding of how Aß peptides and amyloid plaques contribute to the pathophysiology of Tg2576 mice, suggesting that many of the Tg2576-related traits may occur independently of it, and indicating a potential contribution of alternative APP-related factors or pathways to the phenotypic alterations of Tg2576 mice. These findings highlight the complexity of AD pathogenesis and emphasize the dual nature of IL-6 in physiological and neurodegenerative processes, including AD.