The effects of chronic metformin treatment on behaviors and pathology of a transgenic Alzheimer’s model mouse

Abstract

Purpose: Alzheimer’s disease (AD) is the most common neurodegenerative disease with multidimensional cognitive impairment. Metformin, the first-line medication for type 2 diabetes mellitus (T2DM), ameliorates metabolic dysfunctions, such as hyperglycemia and insulin resistance, by activating AMP- activated protein kinase (AMPK), a key energy regulator. As numbers of research have shown that T2DM is highly associated with AD progression, metformin has been considered a promising AD treatment. However, although many studies have been conducted to assess its effects on AD pathology, the results are still conflicting. Especially, some studies have shown that metformin exacerbated cognitive decline and AD pathology. If these findings come out as a fact, this might hinder metformin usage in the patients with AD and drug repositioning research of metformin from T2DM to AD. Therefore, this study evaluated the safety and potential of metformin as AD therapy by assessing the effects of metformin on behaviors and AD pathology. Method: Male (n = 26) and female (n = 12) 3xTg-AD mice were used astransgenic AD model mice. 2 mg/ml of metformin was orally treated to mice since 3-month-old. A touchscreen operant system was conducted as a cognition- behavior assessment to accurately evaluate the effects of chronic metformin treatment on diverse domains of cognitive functions impaired in AD of male mice with food restriction throughout the age since 4-month-old. The effects of chronic metformin treatment on AD pathologies, such as amyloid-beta (Aβ) and tau pathogenesis, and AMPK regulation in the hippocampus of female mice without food restriction were measured by western blot analysis and immunohistochemistry. Results: Chronic metformin treatment impaired learning and memory consolidation of 3xTg-AD mice. It worsened attention retrieval, object-location associative learning and memory, and long-term memory without altering the appetite and whole-body energy metabolism regulation. Metformin worked as an AMPKα-subunit regulator in 3xTg-AD mice by upregulating AMPKα1- subunit expression under long-term administration. Chronic metformin treatment also impaired AD pathology in 3xTg-AD mice. It exacerbated Aβ and tau pathogenesis by increasing Aβ oligomers levels, Aβ plaques number and aggregation, phosphorylated tau (p-tau) Ser356 and p-tauThr231 levels, and GSK3β expression. Conclusion: Chronic metformin treatment had detrimental effects on behaviors and AD pathology by upregulating AMPKα-subunit isoform expression in 3xTg-AD mice. Taken together, the long-term prescription of metformin should be reconsidered for familiar AD gene-containing people. Furthermore, metformin might not be a promising candidate for AD treatment. 목적: 알츠하이머 치매(Alzheimer’s disease; AD)는 다영역 인지기능 장애를 동반하는 가장 흔한 신경 퇴행성 질환 중 하나이다. 메트포르민은 제 2 형 당뇨병(type 2 diabetes mellitus; T2DM)을 치료하는 대표적인 1 차 치료제로서 핵심 에너지 조절자인 AMP activated protein kinase (AMPK)을 활성화하여 고혈당증과 인슐린 저항증과 같은 대사 기능 장애를 개선한다. T2DM 은 여러 연구를 통해 AD 진행과 밀접한 관련이 있음이 밝혀지면서, 메트포르민은 유망한 AD 치료제로 여겨지고 있다. 메트포르민이 AD 병리에 미치는 영향을 평가하기 위해 많은 연구가 진행되었지만, 결과는 아직까지 명확하지 않다. 특히 몇몇 연구는 메트포르민이 인지 기능 저하 및 AD 병리를 악화시킨다는 것을 발견하였다. 만약 이 결과가 사실이라면, 이는 AD 환자에게 메트포르민을 사용하는 것과 메트포르민의 T2DM 에서 AD 치료제로의 용도 변경 연구에 지장을 줄 수 있다. 따라서 본 연구에서는 메트포르민이 인지행동과 AD 병리에 미치는 영향을 확인하여, 메트포르민의 AD 치료제로서의 가능성 및 안전성을 평가하였다. 방법: 수컷 (n = 26) 및 암컷 (n = 12) 3xTg-AD 마우스를 유전변이 AD 모델 마우스로 사용하였다. 생후 3 개월부터 2 mg/ml 메트포르민을 마우스에게 경구 투여하였다. 터치스크린 시스템은 인지-행동 평가로서 식이를 제한한 수컷 마우스에서 4 개월부터 전 연령에 걸쳐 AD 에서 손상된 다양한 인지기능 영역에 장기 메트포르민 투여가 미치는 영향을 확인하기 위해 사용되었다. 장기 메트포르민 투여가 식이를 제한하지 않은 암컷 마우스의 해마에서 아밀로이드 베타 (Amyloid beta; Aβ) 및 타우 발병기전과 같은 AD 병리와 AMPK 조절에 미치는 영향을 웨스턴 블롯 분석과 조직면역염색을 통해 확인하였다. 결과: 장기 메트포르민 투여는 3xTg-AD 마우스의 학습 및 기억 응고화를 손상시켰다. 메트포르민은 식욕이나 전신 대사 조절에 영향을 미치지 않고, 집중력 회복, 물체-위치 연상 학습 및 기억, 장기 기억을 손상시켰다. 메트포르민은 장기투여 시 3xTg-AD 마우스의 AMPKα1-서브유닛 발현을 증가시킴으로서 AMPKα-서브유닛의 조절자로서 기능하였다. 장기 메트포르민 투여는 3xTg-AD 마우스의 AD 병리 또한 손상시켰다. 메트포르민은 Aβ 올리고머의 양, Aβ 플라크의 갯수 및 응집, 인산화 타우(p-tau)Ser356 및 p-tauThr231 의 양과 글리코겐 생성효소 인산화효소 3β (Glycogen synthase kinase 3β; GSK3β) 발현 증가를 통해 Aβ 및 타우 발병기전을 악화시켰다. 결론: 장기 메트포르민 투여는 3xTg-AD 마우스의 AMPKα1- 서브유닛 아이소폼 발현 증가를 통해 인지행동 및 AD 병리를 악화시켰다. 따라서, 가족성 AD 유전자를 가진 사람들에게 메트포르민을 처방하는 것은 재고되어야 한다. 추가적으로, 메트포르민은 유망한 AD 치료제 후보가 아닐 수도 있다.