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Probing Alzheimer's pathology: Exploring the next generation of FDDNP analogues for amyloid β detection - 29/05/24

Doi : 10.1016/j.biopha.2024.116616 
Luka Rejc a, 1, Damijan Knez b, 1, Gabriela Molina-Aguirre c, 1, Alba Espargaró d, Jerneja Kladnik a, Anže Meden b, Lana Blinc e, Matic Lozinšek f, Ross D. Jansen-van Vuuren a, Matic Rogan a, Bruno Aleksander Martek a, Jernej Mlakar g, Ana Dremelj a, Andrej Petrič a, Stanislav Gobec b, , Raimon Sabaté d, , Mara Bresjanac e, , Balazs Pinter c, , 2 , Janez Košmrlj a,
a Faculty of Chemistry and Chemical Technology, University of Ljubljana, Večna pot 113, Ljubljana SI-1000, Slovenia 
b Faculty of Pharmacy, University of Ljubljana, Aškerčeva cesta 7, Ljubljana SI-1000, Slovenia 
c The University of Texas at El Paso, 500 West University Avenue, El Paso, TX 79968, USA 
d Faculty of Pharmacy, Department of Pharmacy, Pharmaceutical Technology and Physical-Chemistry, Section of Physical-Chemistry, and Institute of Nanoscience and Nanotechnology (IN2UB), University of Barcelona, Barcelona 08028, Spain 
e Laboratory of Neural Plasticity and Regeneration (LNPR), Institute of Pathophysiology, Faculty of Medicine, University of Ljubljana, Zaloška 4, Ljubljana SI-1000, Slovenia 
f Jožef Stefan Institute, Jamova cesta 39, Ljubljana SI-1000, Slovenia 
g Faculty of Medicine, Institute of Pathology, University of Ljubljana, Korytkova 2, Ljubljana SI-1000, Slovenia 

Corresponding authors.

Abstract

Fluorescent probes are a powerful tool for imaging amyloid β (Aβ) plaques, the hallmark of Alzheimer’s disease (AD). Herein, we report the synthesis and comprehensive characterization of 21 novel probes as well as their optical properties and binding affinities to Aβ fibrils. One of these dyes, 1Ae, exhibited several improvements over FDDNP, an established biomarker for Aβ- and Tau-aggregates. First, 1Ae had large Stokes shifts (138–213 nm) in various solvents, thereby reducing self-absorption. With a high quantum yield ratio (φ(dichloromethane/methanol) = 104), 1Ae also ensures minimal background emission in aqueous environments and high sensitivity. In addition, compound 1Ae exhibited low micromolar binding affinity to Aβ fibrils in vitro (Kd = 1.603 µM), while increasing fluorescence emission (106-fold) compared to emission in buffer alone. Importantly, the selective binding of 1Ae to Aβ1–42 fibrils was confirmed by an in cellulo assay, supported by ex vivo fluorescence microscopy of 1Ae on postmortem AD brain sections, allowing unequivocal identification of Aβ plaques. The intermolecular interactions of fluorophores with Aβ were elucidated by docking studies and molecular dynamics simulations. Density functional theory calculations revealed the unique photophysics of these rod-shaped fluorophores, with a twisted intramolecular charge transfer (TICT) excited state. These results provide valuable insights into the future application of such probes as potential diagnostic tools for AD in vitro and ex vivo such as determination of Aβ1–42 in cerebrospinal fluid or blood.

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Graphical Abstract




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Highlights

Fluorescent dyes represent a potent tool for amyloid β (Aβ) plaques visualisation.
Synthesized fluorophores showed interesting optical properties for Aβ labelling.
DFT calculation has shed the light on underlying photophysics.
All synthesized compounds showed enhanced binding affinity towards Aβ fibrils.
Our drug candidate 1Ae marked clearly Aβ plaques on postmortem brain tissue.

Le texte complet de cet article est disponible en PDF.

Keywords : Alzheimer’s disease, Amyloid β, Fluorophore, Solvatochromism, Synthesis, Photophysics


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