Abstract Over the past decades, classical drug development approaches for Alzheimer’s disease have yielded limited success, and this futileness has prompted scientists to seek non-classical approaches. In this report, we demonstrated that, with irradiation of LED light or with molecularly generated light (dubbed as “molecular light”) from chemiluminescence probe ADLumin-4, photolabile curcumin analogue CRANAD-147 could change properties, structures (sequences) and neurotoxicity of amyloid beta (Aβ) species in vitro. We further demonstrated that, with the assistance from molecular chemiluminescence imaging, the combination of CRANAD-147/LED or CRANAD-147/ADLumin-4 (molecular light) could slow down the accumulation of Aβs in transgenic 5xFAD mice in vivo. Due to the unlimited capacity of tissue penetration of molecular light in vivo, phototherapy with the combination of photolabile Aβ ligand and molecular light has great potential as an alternative approach for AD drug discovery.

Abstract Bioluminescence imaging has changed daily practice in preclinical research of cancers and other diseases in the last decades; however, it has been rarely applied in preclinical research of Alzheimer’s disease (AD). In this report, we demonstrated that bioluminescence imaging could be used to report the levels of amyloid beta (Aβ) species in vivo. We hypothesized that AkaLumine, a newly discovered substrate for luciferase, could bind to Aβ aggregates and plaques. We further speculated that the Aβ species have the reservoir capacity to sequester and release AkaLumine to control the bioluminescence intensity, which could be used to report the levels of Aβs. Our hypotheses have been validated via in vitro solution tests, mimic studies with brain tissues and mice, two-photon imaging with AD mice, and in vivo bioluminescence imaging using transgenic AD mice that were virally transduced with aka Luciferase (AkaLuc), a new luciferase that generates bioluminescence in the near infrared window. As expected, compared to the control group, we observed that the Aβ group showed lower bioluminescence intensity due to AkaLumine sequestering at early time points, while higher intensity due to AkaLumine releasing at later time points. Lastly, we demonstrated that this method could be used to monitor AD progression and therapeutic effectiveness of avagacestat, a well-studied gamma-secretase inhibitor. Importantly, a good correlation (R 2 = 0.81) was established between in vivo bioluminescence signals and Aβ burdens of the tested AD mice. We believe that our approach can be easily implemented into daily imaging experiments and has tremendous potential to change daily practice of preclinical AD research.