Benzopyran derivative penetrates the blood–brain barrier, eliminates synaptic deficiency and restores memory deficit in 5xFAD mice

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Alzheimer’s disease (AD) is a neurodegenerative disease that primarily affects older individuals and is characterized by gradual memory loss. Effective drug therapy for the disease is currently lacking. The clinical study findings of the medicinal properties of amyloid-binding antibodies demonstrate a multifaceted and intricate pathogenic mechanism of AD. Consequently, there is a crucial necessity for the exploration of novel molecular targets that can be subjected to pharmacological intervention to impede the disease progression.

The calcium hypothesis of AD posits that the pathogenesis of AD is rooted in the aberrant performance of calcium-permeable proteins that disrupt Ca2+ homeostasis. Such proteins include plasma membrane ion channels (NMDAR, AMPAR, and VGCC), intracellular ER ion channels (RyanR and IP3R), TRPC6-dependent store operated channels, and the mitochondrial pore-forming protein (mPTP). In support of the calcium hypothesis, the only pharmaceutical medication that offers temporary relief of AD symptoms is the memantine, an NMDAR blocker.

Synaptic loss in the brains of AD patients is associated with cognitive impairments. Drugs that reduce synaptic loss show promise as pharmacological agents. The transient receptor potential cation channel, subfamily C, member 6 (TRPC6), regulates excitatory synapse formation. Positive regulation of TRPC6 leads to increased synapse formation, enhances learning and memory in animal models. Therefore, TRPC6 channels constitute an attractive molecular target. We have previously demonstrated that TRPC6 channels regulate store-operated calcium entry (nSOCE) in hippocampal neurons [1]. TRPC6-dependent nSOCE is essential for support of neuronal spines and protection against amyloid toxicity in vitro. Research indicated that TRPC6 positive regulators can restore long-term potentiation deficits in brain slices obtained from AD transgenic mouse models. However, none of the TRPC6-targeting compounds tested in our study have successfully crossed the blood-brain barrier (BBB).

Recently, a novel selective TRPC6 agonist, 3-(3-,4-dihydro-6,7-dimethoxy-3,3-dimethyl-1-isoquinolinyl)-2H-1-benzopyran-2-one (C20), was identified [2]. The aim of this study is to investigate the therapeutic profile of the newly discovered selective TRPC6 positive modulator. Our findings indicate that C20 binds to TRPC6 extracellularly at the agonist binding site. Additionally, C20 exhibits synaptoprotective properties in in vitro experiments and recovers synaptic plasticity in brain slices of aged 5xFAD mice. C20 effectively passes through the BBB without causing acute or chronic toxicity in dosages ranging from 10–100 mg/kg. In a 14-day treatment of intraperitoneal injections with a 10 mg/kg dosage of C20, hippocampus-dependent context and hippocampus-independent cued fear memory improved in 5xFAD mice [3]. Therefore, C20 is a promising TRPC6-specific compound that may aid in reducing cognitive decline.

Full Text

Alzheimer’s disease (AD) is a neurodegenerative disease that primarily affects older individuals and is characterized by gradual memory loss. Effective drug therapy for the disease is currently lacking. The clinical study findings of the medicinal properties of amyloid-binding antibodies demonstrate a multifaceted and intricate pathogenic mechanism of AD. Consequently, there is a crucial necessity for the exploration of novel molecular targets that can be subjected to pharmacological intervention to impede the disease progression.

The calcium hypothesis of AD posits that the pathogenesis of AD is rooted in the aberrant performance of calcium-permeable proteins that disrupt Ca2+ homeostasis. Such proteins include plasma membrane ion channels (NMDAR, AMPAR, and VGCC), intracellular ER ion channels (RyanR and IP3R), TRPC6-dependent store operated channels, and the mitochondrial pore-forming protein (mPTP). In support of the calcium hypothesis, the only pharmaceutical medication that offers temporary relief of AD symptoms is the memantine, an NMDAR blocker.

Synaptic loss in the brains of AD patients is associated with cognitive impairments. Drugs that reduce synaptic loss show promise as pharmacological agents. The transient receptor potential cation channel, subfamily C, member 6 (TRPC6), regulates excitatory synapse formation. Positive regulation of TRPC6 leads to increased synapse formation, enhances learning and memory in animal models. Therefore, TRPC6 channels constitute an attractive molecular target. We have previously demonstrated that TRPC6 channels regulate store-operated calcium entry (nSOCE) in hippocampal neurons [1]. TRPC6-dependent nSOCE is essential for support of neuronal spines and protection against amyloid toxicity in vitro. Research indicated that TRPC6 positive regulators can restore long-term potentiation deficits in brain slices obtained from AD transgenic mouse models. However, none of the TRPC6-targeting compounds tested in our study have successfully crossed the blood-brain barrier (BBB).

Recently, a novel selective TRPC6 agonist, 3-(3-,4-dihydro-6,7-dimethoxy-3,3-dimethyl-1-isoquinolinyl)-2H-1-benzopyran-2-one (C20), was identified [2]. The aim of this study is to investigate the therapeutic profile of the newly discovered selective TRPC6 positive modulator. Our findings indicate that C20 binds to TRPC6 extracellularly at the agonist binding site. Additionally, C20 exhibits synaptoprotective properties in in vitro experiments and recovers synaptic plasticity in brain slices of aged 5xFAD mice. C20 effectively passes through the BBB without causing acute or chronic toxicity in dosages ranging from 10–100 mg/kg. In a 14-day treatment of intraperitoneal injections with a 10 mg/kg dosage of C20, hippocampus-dependent context and hippocampus-independent cued fear memory improved in 5xFAD mice [3]. Therefore, C20 is a promising TRPC6-specific compound that may aid in reducing cognitive decline.

ADDITIONAL INFORMATION

Funding sources. The research was funded by the Russian Science Foundation, grant No. 20-75-10026.

×

About the authors

E. A. Popugaeva

Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University

Author for correspondence.
Email: lena.popugaeva@gmail.com
Russian Federation, Saint Petersburg

N. I. Zernov

Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University

Email: lena.popugaeva@gmail.com
Russian Federation, Saint Petersburg

A. V. Veselovsky

Institute of Biomedical Chemistry

Email: lena.popugaeva@gmail.com
Russian Federation, Moscow

V. V. Poroikov

Institute of Biomedical Chemistry

Email: lena.popugaeva@gmail.com
Russian Federation, Moscow

D. M. Melentieva

Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University

Email: lena.popugaeva@gmail.com
Russian Federation, Saint Petersburg

A. V. Bolshakova

Institute of Biomedical Chemistry

Email: lena.popugaeva@gmail.com
Russian Federation, Moscow

References

  1. Zhang H, Sun S, Wu L, et al. Store-Operated Calcium Channel Complex in Postsynaptic Spines: A New Therapeutic Target for Alzheimer’s Disease Treatment. The Journal of Neuroscience. 2016;36(47):11837–11850. doi: 10.1523/JNEUROSCI.1188-16.2016
  2. Hafner S, Urban N, Schaefer M. Discovery and characterization of a positive allosteric modulator of transient receptor potential canonical 6 (TRPC6) channels. Cell Calcium. 2019;78:26–34. doi: 10.1016/j.ceca.2018.12.009
  3. Zernov N, Veselovsky AV, Poroikov VV, et al. New Positive TRPC6 Modulator Penetrates Blood-Brain Barrier, Eliminates Synaptic Deficiency and Restores Memory Deficit in 5xFAD Mice. International Journal of Molecular Sciences. 2022;23(21):13552. doi: 10.3390/ijms232113552

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Copyright (c) 2023 Eco-Vector

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».