Jelentős felismerés volt, hogy a β-amiloid plakkok igen magas (1 mM) Zn-tartalmúak (Bush et al., 1994). A kutatókat ez arra indította, hogy a megállapítsák, a fémionok – elsősorban a Zn2+, a Cu2+ és a Fe2+ – közvetlen vagy közvetett szerepét a plakkok kialakulásában (Lim et al., 2007).

A Cu2+ bizonyíthatóan esszenciális fémion, neurobiológiai aktivitása komplex, a sejtek mitokondriumában akkumulálódik, mitokondriális változásokat indukál és részt vesz a neurodegenerációs folyamatokban. A neurobiológiai aktivitás szempontjából elsősorban a „lazán kötött” Cu2+, vagyis „a nem ceruloplazminhoz kötött vagy „szabad” Cu2+ (nCp-Cu) a mértékadó. A kezdeti vizsgálatok azt mutatták, hogy az AD-betegek egy csoportjánál (MCIAD) a Cu-szabályozás elmaradása detektálható, és ez a betegség kimenetelével negatív korrelációt mutat. A magas nCp-Cu feltehetően a réztranszportban szerepet játszó ATP7B csökkent működésével magyarázható (Squitti et al., 2016). A magas nCp-Cu, az agy elektromos aktivitásával összefüggésben (EEG), a gyors kognitív változást jelzi. Jól mérhető összefüggés az nCp-Cu/(nem hem Fe) hányados, amely az MCI és az MCIAD változását is jól mutatja (review: Sensi et al., 2018). Jellemző, hogy a Cu2+ interakcióba lép az amiloid kaszkáddal, az amiloid prekurzorfehérjével (Multhaup et al., 1996; Atwood et al., 1998); valamint gátolja az Aβ keletkezését (4.3.2.2. fejezet).

Ismeretes, hogy in vitro Zn2+ jelenlétében az Aβ peptidek aggregációja jelentős mértékben emelkedik (Miller et al., 2006). Ez arra mutat, hogy a Zn2+ elsőrendű közreműködője az Aβ-patológiának. Későbbi vizsgálatok bizonyították, hogy a szinaptikus Zn2+ stimulálja az Aβ oligomer formációját és az akkumulációt az excitációs szinapszisokban. Feltehető, hogy az Aβ peptid Zn-kötő helyei a hisztidint tartalmazó fragmensek (összességében 3 fragmens), de lehetséges még az Asp1, az Arg5, a Ser8, a Glu11 és a Tyr10 részvétele is ebben a folyamatban

Még a 90-es évek végén megállapítást nyert, hogy a neurofibrilláris fehérje- és a tau-fehérje-akkumuláció is részese az AD neuropatológiai diagnózisának. A neurofibrilláris kötegek száma szorosan kapcsolódik a demencia súlyosságának a mértékéhez, és ez azt jelenti, hogy direkt módon kötődik a neuronális diszfunkcióhoz. A képződés regionális eloszlása tipikus. A neurofibrilláris kötegekre jellemző a mikrotubulusokhoz kötődő hiperfoszforilált tau-fehérje. A hiperfoszforilált tau-fehérjék igen hamar megjelennek az idegsejtekben, még a neurofibrilláris kötegek kialakulása előtt, mutatva a protein-kinázok és a foszfatázok közti egyensúlyvesztést, amely a tau-fehérje hiperfoszforilálását eredményezi. Ez korai folyamat, amely végül is a mikrotubulusok működésének a meghibásodásához, majd az axoplazmatikus „flow”-hoz vezet (review: Brion, 1998). A feltételezhető kölcsönhatás a neurofibrillirális kötegek és az időskori plakkok keletkezése között még nem bizonyított, de a neurofibrilláris kötegek vizsgálata és szerepének felértékelése megsokszorozódott. Ezek a vizsgálatok arra mutatnak, hogy a β-amiloid akkumulációja triggereli a tau-hiperfoszforilációt és az aggregációt, valamint a neurofibrilláris kötegek keletkezését és lerakódását az idegsejtekben. Ezek eredménye lesz a gyulladás, az idegsejtek pusztulása, a kognitív hanyatlás és az abnormális viselkedés. Az β-amiloid-immunterápia komoly bizonyítéka annak, hogy a β-amiloid szintjének csökkenése mellett a tau-szint is csökken, de ugyanez fordítva is igaz, a tau-immunterápia a tau-szint csökkentésével egyidejűleg csökkenti a β-amiloid-szintet is (Roda et al., 2022).

Feltételezhető, hogy a Zn2+ gyorsítja a tau-peptid aggregációját is redukciós körülmények között. Gátolja ugyanis az intramolekuláris diszulfidhidak képződését, viszont elősegíti az intermolekuláris kapcsolatok kialakulását a ciszteinvégződések között (review: Watt et al., 2011). Más oldalról, az extracelluláris Zn2+-szint emelkedése triggereli a tau-hiperfoszforilációt, mivel gátolja a protein-foszfatáz 2A-t és aktiválja a foszforilációs kinázokat. Ezek a mechanizmusok foszfo-tau-adduktumokhoz vezetnek, így a tau-patológiát súlyosbítják az AD-ben (review: Sensi et al., 2018).

A magas fémtartalom, azaz a magas Zn-, Cu- és Fe-tartalom jellemző a plakokkra; 3–5-szörös koncentrációban vannak jelen a neuropilekben és a plakkokban, mint a kontrollegyedekben. Így például a β-amiloid plakkban a Zn: 69, (a kontrollneuropilben: 23); a Cu: 23 (a kontrollneuropilben: 4); a Fe: 53 (a kontrollneuropilben: 19) µg/g-ban van jelen (Lovell et al., 1998). A szintetikus Aβ és a tisztitott (kinyert) APP fizikai kémiai kapcsolódást mutatott a Zn2+-vel, a Cu2+-vel, de kevésbé a Fe3+-mal alacsony, mikromoláris és szubmikromoláris koncentrációban, in vitro körülmények között. Így bizonyítható, hogy közreműködői lehetnek a fém–Aβ interakciónak.

Az in vitro, de az in vivo vizsgálatok is azt mutatták, hogy az Aβ neurotoxikus; a keláció viszont feloldja az Aβ-plakkokat. Az in vitro vizsgálatok alapján megállapították, hogy az Aβ peptid Zn-indukált és Cu-indukált precipitációs folyamata reverzibilis. A post mortem AD-agyból és a kontrollagyból kinyert Aβ reszolubilizálhatónak és extrahálhatónak mutatkozott. A Cu/Fe/Zn-kelátor NNN’N’-tetrakisz(2-piridinilmetil)-1,2-etándiamin (TPEN) jelentősen emelte az Aβ-depozíció reszolubilizálását post mortem AD-esetekben és „nem AD”-mintáknál. Az extrahálódott Aβ jól korrelált a Zn-deplécióval (30%) és kisebb mértékben a Cu-deplécióval (review: Cuajungco et al., 2000).

Jelentős felismerés volt, hogy a kelációs reagensek nagy része azzal a tulajdonsággal is rendelkezik, hogy eltávolítja a fémionokat a vegyületekből (Aβ), másrészt beviszi ezeket az ionokat a sejtekbe (lásd ionofór tulajdonság). Így például a Zn2+-kelátor pirition neutralizálja a Zn2+ neurotoxicitását, és mint ionofór beviszi a Zn2+-et az idegsejtbe

In vitro mérésekben a D-penicillamin, a trientin és még számos fémionkelátor kipróbálásra került, de ezek nem vezettek eredményre, feltehetően nem mutattak ionofór tulajdonságot és nem voltak megfelelően szelektívek. Hasonlóan, a kelációs tulajdonságot mutató gyógyszerek sem voltak szelektívek, ilyen volt például a gyulladásgátló indometacin, a már említett D-penicillamin, az ibuprofén vagy az antioxidáns α-lipolsav.

A D-penicillamin-konjugát (a nanopartikulákon alapuló D-penicillin-Cu-kelátort szállító egység) reszolubilizálta a Cu-Aβ(1-42) aggregátumot és ráirányította a figyelmet a szállító mechanizmusra, valamint arra is, hogy a D-penicillamin-konjugátum meggátolja az Aβ(1-42)- akkumulációt és a már kialakult fémion-akkumulációt is redukálni képes (Cui et al., 2005). Ez a kísérleti eredmény a keláció eredményességére utal; azonban fémionkelátorok gyógyszerként történő alkalmazása a fémionok egyidejű elvonását is mutatja, így komoly mellékhatásokat eredményezhet. Fémionkelátorok ma már nem szerepelnek az AD-gyógyszerkipróbálásokban.

A neuropatológiai vizsgálatok azt mutatták, hogy az oxidatív stressz is részese az AD- patológiának, és ebben az Aβ jelentős szerepet játszik. Az Aβ-fehérje túlzott expressziója transzgén egerekben ugyanis az oxidatív stressz biomarkerének emelkedéséhez vezet. Az is ismeretes, hogy az Aβ-fehérje a H2O2, valamint a lipid-peroxidok akkumulációját segíti a sejtekben, triggereli az olyan vegyületek, mint a dopamin, a foszfolipidek vagy a koleszterin oxidációját (review: Axelsen et al., 2011). Feltételezések szerint a szinapszisokból kiáramló Zn2+ az Aβ-oligomerek akkumulációját és az idegsejtmembránokon való megjelenését segíti, így közvetve is részese az oxidatív stressz kialakulásának. Ellentmondásosnak tűnik viszont az a kísérleti eredmény, miszerint a Zn2+ blokkolása is a ROS-szint emelkedéséhez és apoptózishoz/nekrózishoz vezet (4.1. fejezet). Valószínűsíthető, hogy ebben az esetben az a teória nyer igazolást, amely szerint a Zn2+-felesleg és a Zn2+-hiány is az oxidatív stressz kialakulásának a részese (review: Levenson, 2020).

Az ellentmondásosnak látszó eredmények rávilágítottak arra, hogy a fémionok, köztük a Zn- és a Cu-ion hatása is duális, és ez szükségszerűen az AD-neuropatológia átértékeléséhez és az AD-terápia újragondolásához vezetett (4.3.2.2. és 4.3.3. fejezetek).