Chemical characterization and imaging of creatine deposits in human Central Nervous System tissues with infrared and X-ray fluorescence microscopy

Abstract

Synchrotron infrared spectromicroscopy and X-Ray Fluorescence spectromicroscopy have been applied to imagine untreated, flash frozen human central nervous system tissue. The hypothesis was that the molecular information available from Fourier Transform Infrared and X-Ray Fluorescence spectromicroscopy would reveal new information about neurodegenerative diseases pathology, specially creatine deposits and their environment. In this study the main focus was on Amyotrophic Lateral Sclerosis. The motor cortex, brain stem, spinal cord and substantia nigra from 6 Amyotrophic Lateral Sclerosis cases and 3 controls were mapped using infrared spectromicroscopy and the results were analysed for protein, lipids and creatine levels. Creatine was found to be focally elevated and formed deposits located in the human Amyotrophic Lateral Sclerosis Central Nervous System tissue. Focally elevated creatine may be a marker of the disease process, indicative of disturbed energy metabolism or inflammatory response to the disease progression. The creatine deposits may therefore be a previously undiscovered disease marker.

Celem pracy była analiza występowania i składu chemicznego złogów kreatyny oraz otaczającej je tkanki ośrodkowego układu nerwowego człowieka w przypadku Stwardnienia Zanikowego Bocznego i grupy kontrolnej. Analizowano tkanki wybranych obszarów centralnego układu nerwowego człowieka (rdzenia kręgowego, pnia mózgu, istoty czarnej i hipokampu) za pomocą mikrospektroskopii w podczerwieni oraz synchrotronowej rentgenowskiej analizy fluorescencyjnej. Kreatyna nie tworzy złogów w warunkach fizjologicznych. Ich obecność mogłaby wskazywać na zaburzenia w metabolizmie w wyniku zmian chorobowych w Stwardnieniu Zanikowym Bocznym. Widmo kreatyny w spektroskopii w podczerwieni (IR) jest bardzo charakterystyczne, dlatego mikrospekroskopia w podczerwieni z transformatą Fouriera została wykorzystana do identyfikacji złogów kreatyny w tkance. Złogi kreatyny zostały zidentyfikowane w dwóch spośród sześciu przypadków Stwardnienia Zanikowego Bocznego w rejonach ośrodkowego układu nerwowego dotkniętych zanikiem neuronów. Duże, często pigmentowane złogi nie występowały w żadnej z kontrolnych tkanek. Analiza fluorescencyjna wykluczyła korelacje pomiędzy złogami i barwnymi kompleksami metali (Fe, Cu). Niektóre próbki kontrolne zawierały liczne, lecz stosunkowo niewielkie złogi, przypominające złogi powstające w procesie starzenia. Kreatyna pełni ważną funkcję w procesach związanych z metabolizmem. Odkrycie jej złogów może okazać się istotne dla zrozumienia procesów prowadzących do degeneracji i zaniku neuronów.