Hyperphosphorylated tau aggregation-based Alzheimer’s disease early drug discovery

Michigan State University, East Lansing MI

Investigators

Linked publications, trials & patents

Abstract

Hyperphosphorylated tau aggregation-­based Alzheimer?s disease early drug discovery  Alzheimer?s  disease  (AD)  is  an  irreversible  neurodegenerative  disease  affecting  47  million  people  worldwide,  and  costs  604  billion  US  dollars  every  year  for  medical  expenses.    To  date,  there  is  no  cure  or  prevention  for  AD.    The  two  defining  features  of  AD  are  Ab?  plaques  and  neurofibrillary  tangles  that  are  composed  of  hyperphosphorylated tau.  While the AD drug discovery landscape has been dominated by anti-­Ab? measures,  recurring failures of clinical trials argue strongly that a realignment of the drug target and strategies is needed to  make a breakthrough in AD therapeutics development.  Indeed, multiple lines of evidence suggest that the pre-­ tangle  stage  of  hyperphosphorylated  tau  aggregates  cause  diffusible  cytotoxicity  that  likely  underlies  neurodegeneration.  Screening for compounds that prevent hyperphosphorylated tau from forming the cytotoxic  aggregates thus affords a more viable route for AD drug discovery.     The tangle-­centric drug design has not come to fruition.  A wide spectrum of compounds have been  identified  in  multiple  screens  as  inhibitors  of  tangle  formation, but  later  found  to  be  false-­positive.  One  shared  issue for these screens is the use of an unmodified tau protein that requires an inducer, e.g., heparin, for efficient  aggregation  in  a  reducing  environment.    The  assay  subject  (tau)  lacks  the  pathological  mark  of  hyperphosphorylation, and the disease relevance of the inducer has not been substantiated.  To overcome these  hurdles,  we  have  developed  the  PIMAX  technology  that  produces  hyperphosphorylated  tau  (p-­tau)  in  E.  coli.   Purified  p-­tau  fibrillizes  autonomously  (without  an  inducer),  and  causes  apoptosis  of  different  cells  including  a  neuroblastoma cell line.  This inducer-­free, p-­tau aggregation assay has a Z? value of 0.699, and a coefficient of  variation (CV) of 8.3%.  These parameters qualify our p-­tau aggregation assay as a robust HTS platform.  Using  this assay, we conducted a pilot screen for 1,280 compounds for their ability to modulate the aggregation of p-­ tau.  We then used novel biochemical and cell-­based secondary assays to verify the candidate compounds.  We  found that an active neurological drug is a potent p-­tau aggregation inhibitor, which also protects cells from p-­ tau  cytotoxicity.    These  preliminary  studies  afford  solid  evidence  for  the  values  of  p-­tau  in  the  quest  for  AD  therapeutics.  This R01 project is the very first that uses the pathophysiologically relevant hyperphosphorylated  tau  for  AD  drug  discovery.    We  will  follow  our  pilot  screen  protocols  to  conduct  a  high-­throughput  screen  of  100,000 compounds for their ability to inhibit p-­tau aggregation and to protect cells.  This early discovery project  will conclude with two major products: (1) A collection of chemical hits with confirmed p-­tau aggregation inhibitory  and  cytoprotective  activities,  and  (2)  a  follow-­up  proposal  with  comprehensive  plans  to  identify  the  optimal  chemical lead for AD drug development.