Identification of potential Alzheimer’s disease biomarkers in plasma using FTIR

Abstract

Current clinical AD diagnosis criteria used to identify the disorder in patients who have already overt the advanced stage of dementia. This is too late for some kind of successful disease adjustment and consequently, early recognition of AD needs to be improved. Therefore, it is really needed different approaches for discovering new AD biomarkers, such as the application of metabolomics techniques (e.g. FTIR). The potential of FTIR in the clinical field has recently received particular attention, since it uses vibration frequencies of molecules present in the analysed sample to produce a metabolic fingerprint, which is then specific for each sample. This dissertation aims to identify biochemical alterations that might be related to dementia, being possible to distinguish between control and disease groups of plasma samples, through application of FTIR methodology at the 4000-600 cm-1 spectral region. Using plasma samples makes the process being minimally invasive, with other relevant clinical advantages. Besides the collection of blood samples used in this project, the volunteers were also submitted to cognitive evaluation trough Mini Mental State Examination (MMSE) and Clinical Dementia Rating (CDR), with other relevant clinical information being also collected. All the analysed samples were matched by age and sex. For a better discrimination between control and disease samples, Principal Component Analysis (PCA) was applied to spectra data at specific regions, namely 3500-2700 cm-1, 1700-1400 cm-1, and 1200-900 cm-1. This allowed to identify the main pathological changes that occurred at the biochemical level during neurodegenerative disorder development. In the former spectral region, disease samples presented a higher content of saturated lipids in relation to the unsaturated ones, which translates in a high potential brain damage. Besides, it was also noted the presence of carboxylic acids that are usually related to lipid hyperoxidation, production of reactive carbonyls and proteins structural and functional alterations. In turn, the spectral region 1700-1400 cm-1 allowed to identify differences in protein conformation between control and disease samples, and these last ones were still related with occurrence of protein aggregates. In other hand, the 1200-900 cm-1 region could be associated to cellular damage provoked by oxidative stress in disease samples. As an important note to take, FTIR analysis could have the potential to be applied in future not only for cognitive impairment diagnosis but also for identification of disease stage and prognostic evaluation, besides assessment of disease developing risk for control subjects.

Os atuais critérios clínicos de diagnóstico da doença de Alzheimer geralmente identificam a patologia apenas quando os pacientes já atingiram a fase de demência, ou seja, o estágio mais avançado da doença. Isto revela-se demasiado tarde para que qualquer tipo de terapêutica seja bem-sucedida e, consequentemente é necessário desenvolver uma metodologia de diagnóstico que permita um reconhecimento mais precoce da doença. Desta forma, é preciso adotar diferentes abordagens para a descoberta de novos biomarcadores para a doença de Alzheimer, tais como a utilização de técnicas de metabolómica (ex. FTIR). O potencial do FTIR no campo clínico recebeu recentemente particular atenção, sendo que esta técnica utiliza as frequências de vibração das moléculas presentes na amostra analisada para produzir uma “impressão digital” metabólica, a qual é específica para cada amostra. Esta dissertação tem como objetivo a identificação de potenciais alterações bioquímicas que possam estar relacionadas com demência, tornando possível a distinção entre grupos controlo e de doentes no seio do conjunto de amostras de plasma analisadas. A utilização de amostras de plasma torna o processo minimamente invasivo, de entre outras vantagens clínicas. Para além da colheita das amostras de sangue utilizadas neste projeto, os voluntários foram submetidos a uma avaliação cognitiva através da realização do MMSE e do CDR, com outra informação clínica relevante a ser também recolhida. Todas as amostras analisadas foram emparelhadas de acordo com a idade e o sexo. Para uma melhor distinção entre amostras controlo e de doentes foi aplicada a metodologia de PCA aos dados dos espectros obtidos em regiões específicas, nomeadamente em 3500-2700 cm-1, 1700-1400 cm-1, e 1200-900 cm-1. Isto permitiu identificar as principais alterações patológicas que ocorrem a nível bioquímico durante o desenvolvimento da doença neurodegenerativa. Na primeira região espectral referida, as amostras dos doentes apresentaram um maior conteúdo de lípidos saturados comparativamente aos não saturados, o que se traduz num potencial risco cerebral maior. Para além disso, foi observada a presença de ácidos carboxílicos, usualmente relacionados com hiperoxidação de lípidos, produção de carbonilos reativos e alterações estruturais e funcionais de proteínas. Por sua vez, a região espectral 1700-1400 cm-1 permitiu identificar diferenças na conformação de proteínas entre amostras controlo e de doentes, tendo estas últimas sido ainda relacionadas com a ocorrência de agregados proteicos. Por outro lado, a região 1200-900 cm-1 pôde ser relacionada com presença de danos celulares provocados por stress oxidativo nas amostras de doentes. Como importante nota a reter, a análise por FTIR pode ter o potencial para ser aplicada no futuro não apenas para diagnóstico de disfunção cognitiva, mas também para identificação do estádio da doença e realização de prognósticos, para além da avaliação do risco de desenvolvimento da doença em sujeitos controlo.