Kasvutekijätutkimus - oven avaus aivosairauksien hoitoon

Transkriptio

1 Kasvutekijätutkimus - oven avaus aivosairauksien hoitoon Mart Saarma Akatemiaprofessori, Biotekniikan instituutti, Helsingin yliopisto Molekulaarisen ja integratiivisen neurotieteen huippuyksikkö Uudenmaan Parkinson-yhdistyksen 25-vuotisjuhlat JUHLASEMINAARI Biomedicum Helsinki,

2 Aivotutkimuksen haasteita Aivotoiminnan perusmekanismien ymmärtäminen Oppimisen ja muistin mekanismien selvittäminen Ymmärtää hermoston (rappeuma-) sairauksien tautimekanismeja ja kehittää uusia hoitoja

3 Hermosolut vastaanottavat, yhdistelevät, varastoivat ja siirtävät informaatiota Ihmisaivoissa on hermosolua ja yli 10,000 erilaista hermosolutyyppiä

4 Ihmisaivot ovat melko monimutkaiset Yksi hermosolu voi muodostaa 10,000 kontaktia (synapsia) aivoissa Aivoissamme on ainakin hermosolukontaktia Linnunradassa on 2x10 11 tähteä 1mm 3 aivokuorta sisältää arviolta useita kilometrejä viejähaarakkeita (aksoneita) ja tuojahaarakkeita (dendriittejä)

5 Parkinsonin tauti (PT) Etenevä neurodegeneratiivinen liikesairaus Dopamiinineuronit tuhoutuvat mustatumakkeessa (substantia nigra) Oireet: liikkeiden hitaus, lepovapina, jäykkyys ja tasapainovaikeudet Motoriset oireet ilmenevät kun ~40-50% mustatumakkeen dopamiinineuroneista on menetetty ja aivojuovion (striatum) dopamiinipitoisuus on pienentynyt n. ~60-70% 7-10 miljoona potilasta Dauer and Przedborski 2003

6 Parkinsonin tauti James Parkinson: Shaking Palsy 1817 Kampavata Atreya: Caraka Samhita. Ayurveda (Science of Life) 2500 BC: (kampa=vapina, Vata=lihasliikkeiden puute Oireet: Lihasjäykkyys, vapina, masennus, uneliaisuus Hoito: Monia ehdotuksia, useat sisälsivät Mucuna pruriens kasvia. Myöhemmin todettiin siementen sisältävän L- dopa aminohappoa.

7 Parkinsonin taudissa motoriset oireet ilmenevät vasta kun suurin osa dopamiinineuroneista on tuhoutunut Dopamiini % kontrollista Adaptive capacity 40 Kompensaatio = ilman oireita Decom - pensation 20 0 Heikot oireet Vakavat oireet

8 Ajankohtaisia ongelmia Parkinsonin tautiin liittyen Parkinsonin taudin patogeneesi ei ole selvä Varhaista PT diagnosointia ei oikestaan ole olemassa Nykyiset terapiat hoitavat oireita eikä YKSIKÄÄN olemassa olevista lääkkeistä hidasta tai pysäytä neuronien rappeutumista Itseasiassa edellinen on totta kaikissa hermoston rappeumasairauksissa

9 Parkinsonin tautiin liitetyt geenit Lokus mutatoitunut geeni kromosomi ja PT tyyppi PARK1: -Synuclein 4q21, AD PARK2: Parkin 6q25, AR PARK3: unknown 2p13 AD PARK4: -Syn triplication 4q21 PARK5: UCH-L1/PGP9,5 4p14 AD PARK6: PINK1 1p36 AR PARK7: DJ-1 1q36 AR PARK8: LRRK2 (Dardarin) 12q12 AD + sporadinen, myöhään puhkeava PT PARK10: geeni tuntematon p32 tyypillinen PT PARK11: geeni tuntematon 2q34 tyypillinen PT Vain 5-10% tapauksista on familiaarisia

10 Tärkeimmät strategiat uusien hoitomuotojen kehittämiseksi Parkinsonin tautiin Uusien terapioiden pitäisi sisältää interventioita, jotka hidastavat neuronien rappeutumista tai pysäyttävät rappeutumisprosessin: Estävät dopaminia tuottavien hermosolujen rappeutumisen Uudistavat hermosolujen yhteyksiä ja stimuloivat yhteyksien muodostumista Lisäävät vaurioitumattomien dopamiinia tuottavien neuronien toiminnallista aktiivisuutta

11 Voimmeko avata Parkinsonin taudin hoidon lukon? Courtesy Kaari Saarma

12 Kehityksen aikana neuroneita tuotetaan ylenmäärin. Kasvutekijät, jotka säätelevät neuronien määrää nisäkkäiden aivoissa, on kuvattu huonosti Paitsi kehityksessä, neuronit kuolevat myös neurodegeneratiivisissa sairauksissa

13 Nobel-palkinto fysiologiassa tai lääketieteessä 1986 heidän löytämistään kasvutekijöistä" Stanley Cohen Rita Levi-Montalcini

14 GDNF-perheen ligandi-reseptori interaktiot Trupp et al., Saarma, Nature 1996 Airaksinen & Saarma 2002, Nature Rev. Neurosci.

15 GDNF sitoutuu spesifisesti GFR 1- apureseptoriin ja aktivoi RET-reseptorin RET GFR 1 Signalling Bespalov and Saarma, TiPS, 2007

16 Erilaisia terapeuttisia strategioita Parkinsonin taudin hoitamiseksi Andressoo and Saarma, Curr. Opin. Neurosci., 2008 Hermokasvutekijät on vietävä suoraan aivoihin, koska ne eivät läpäise aivo-veriestettä

17 GDNF:llä on vahva terapeuttinen vaikutus PT hoidossa? GDNF:n jatkuva infuusio mikrogrammaa/päivä Medtronicsin pumppu asennettiin ihon alle. Ohut putki kulki ihon alla ja yhdistyi putamen-tyvitumakkeessa sijaitsevaan katetriin. Pumppu infusoi GDNF:ää suoraan aivoihin (Gill et al. 2003). Gill et al, Nature Medicine, 2003

18 Kliininen koe III: GDNF:n aivojensisäinen infuusio (Amgen-koe; Lang et al. 2006) 34 potilasta; lumelääke (n=17) tai GDNF (15 mikrogrammaa/päivä) kumpaankin putameniin satunnaistettu, kaksoissokkokoe, kesto 6 kuukautta ei oireiden parantumista lumehoitoon verrattuna PET-FD:n otto lisääntynyt katetrin kärjestä Neutraloivia vasta-aineita GDNF:ää vastaan kahdella potilaalla (5/49 kaikista tapauksista), sitovat vasta-aineet väliaikaisia tai muuttuneet neutraloiviksi vasta-aineiksi Käyttivät halkaisijaltaan suurempaa katetria, joka ei toiminut aikaisemmin tehdyissä kokeissa ei-humaanisilla kädellisillä

19 Meidän nykyiset lähestymistapamme Etsitään uusia hermokasvutekijöitä, jotka toimisivat tehokkaasti Parkinsonin taudin terapiassa Kehitetään pienmolekyylejä, jotka matkivat hermokasvutekijöiden toimintaa ja estävät hermosolujen rappeutumista

20 Päivi Pulkkila neé Lindholm MANF and CDNF in the vertebrates; Single CDNF/MANF homolog in the invertebrates. No sequence homology with other proteins No pro-sequence; no enzymatic activation Eight conserved cysteine residues Secreted Lindholm et al. & Saarma Nature, 448, 73-77, 2007

21 Verrattuna muihin tunnettuihin hermokasvutekijöihin, CDNF on aivo-spesifinen hermokasvutekijä CDNF on keskushermosto-spesifisin tunnettu hermokasvutekijä, jolla ei käytännössä ole in vitro -vaikutuksia ääreishermoston neuroneihin Neurotrofiineilla, GDNF-perheen ligandeilla ja neurokiineillä on erilaisia vaikutuksia ääreishermoston neuroneihin CDNF vaikuttaa vaan vaurioituneisiin hermosoluihin

22 Onko CDNF:lla neuroneita suojaavia tai korjaavia vaikutuksia Parkinsonin taudin eläinmalleissa?

23 Parkinsonin taudin 6-hydroksidpamiini (6-OHDA)-rottamalli Prof. Raimo K. Tuominen, FM Merja H. Voutilainen Farmakologian ja toksikologian osasto Intrastriataalinen injektio 6-OHDA tuhoaa erityisesti dopamiinineuronit 6-OHDA ei läpäise aivoveriestettä: Injesoidaan suoraan aivoihin Vaurion suuruutta voidaan arvioida mittaamalla rotan pyörimiskäyttäytymistä Kirik et al. Nat. Neurosci. 2004

24 Toispuoleinen Parkinsonin taudin 6-OHDAvauriomalli: Ungerstedtin kääntymismalli 6-OHDA tuhoaa selektiivisesti dopaminergisen nigrostriataalisen radan (mukaanlukien presynaptiset DA-neuronit striatumissa) Aiheuttaa superherkkyyttä postsynaptisissa DA-reseptoreissa striatumissa Epätasapaino DA-aktiivisuudessa kahden striatumin välillä aiheuttaa toispuoleisen pyörimisen Rotat kääntyvät poispäin suuremmasta DA-pitoisuudesta

25 Neurorestoraatio koeasetelma muistuttaa tilannetta potilailla

26 CDNF suojaa dopamiinineuroneita rotan 6-OHDA mallissa A B C TH-värjättyjä striatum-leikkeitä A, vehikkeli ja 6-OHDA-käsitelty rotta B, GDNF (10 µg) ja 6-OHDA-käsitelty rotta C, CDNF (10 µg) ja 6-OHDA-käsitelty rotta 6-OHDA-vaurio vasemmalla puolella

27 CDNF korjaa motorista toimintaa 6-OHDA-leesioiduilla rotilla Amfetamiinin aiheuttama vaurion suuntainen pyöriminen CDNF korjaa vaurioituneita dopaminergisiä neuroneita

28 CDNF aikaansaa osittaisen TH-positiivisten solujen toipumisen Stereologinen TH-positiivisten solujen laskeminen substantia nigran alueella Stereo Investigator-laitteella Lindholm et al. Nature, 448, 73-77, 2007

29 Kokeita Parkinsonin tautimalleilla ei-humaaneilla kädellisillä

30 CDNF-tutkimus kädellisillä (Rhesus-apina): Dopamiinineuronien toiminnan palauttaminen hermomyrkyllä tuotetun vaurion jälkeen Judy L. Cameron, FT Zhiming Zhang, FT Yi Ai, FT Richard Grondin, FT Amanda Dettmer, FT Krishna Subramanian Yliopisto Pittsburgh Yliopisto Kentucky Tutkimuksen tavoitteena on testata kädellisillä, pystyykö CDNF palauttamaan keskiaivoissa (nigrostriatal) dopamiinineuronien aktiivisuuden Jos pystyy, tavoitteena on verrata Parkinsonin taudin apina-eläinmallissa CDNF:n ja GDNF:n tehokkuutta taudin motoristen ja ei-motoristen oireiden ehkäisemiseksi

31 Ennen - MPTP MPTP: annostus Jälki-infuusio Eläimen lopetus Lopetuksen jälkeen STEREOTACTIC INTRAPUTAMENAL MRI-GUIDED INFUSION Aloitus 1,5 kk MPTP:n jälkeen Aika (kuukausia) Koesuunnitelma Ryhmät Annostelu 1 MPTP + GDNF (450 g) 2 MPTP + CDNF (450 g) 3 MPTP + CDNF (150 g) 4 MPTP + Vehicle

32 CDNF:n Infuusio: MRI-kuvantaminen Right Left

33 MPTP:llä tuotettu hermovaurio Vasen Oikea Esimerkki PET-kuvasta, jossa MPTP:llä on tuotettu toiseen aivopuoliskoon vaurio. Kuvantamiseen on käytetty VMAT 2 -molekyyliin sitoutuvaa radioaktiivista leimaa (type-2 vesicular monoamine transporter (VMAT 2 )-specific radioligand, [ 11 C]DTBZ.) Punainen väri indikoi vahvaa leimautumista ja vihreä väri heikkoa leimautumista

34 Motoristen ominaisuuksien mittaaminen Monkey Parkinsonian Rating Scale Activity measured by accelerometer Automated Movement Tracking (Ethovision) Monkey Movement Analysis Panel (mmap) Monkey home-pen videotaping

35 Monkey Parkinson s Rating Scale MPTP:llä tuotettu hermovaurio - kontrolli 100,0 80,0 60,0 40,0 20,0 0,0 post-mptp Post-Infusion 1 Post-Infusion 2 Post Infusion 3

36 Kolmesti annosteltu CDNF parantaa merkittävästi UPDRS-tulosta MPTP-apinoilla 100,0 80,0 60,0 * 150 g CDNF 40,0 20,0 * * 55% 0,0 post-mptp Post-Infusion 1 Post-Infusion 2 Post Infusion 3

37 Kolmesti annostellun GDNF:n vaikutus on paljon pienempi kun CDNF:n 100,0 80,0 60,0 40, g GDNF 20,0 0,0 post-mptp Post-Infusion 1 Post-Infusion 2 Post Infusion 3

38 CDNF:n vaikutus on pitkäaikainen

39 CDNF edistää vasemman käden hienomotoriikan palautumista

40 CDNF ehkäisee dopamiinineuronien tuhoutumista ja palauttaa neuronien toiminnan Parkinsonin taudin eläinmallissa CDNF Ehkäisee neuronien tuhoutumisen Indusoi aksonien uudistumista ja kasvua Stimuloi dopamiinin synteesiä ja sisäänottoa

41 Tavoite: Kehittää CDNF-proteiinia hyödyntävä lääke Parkinsonin taudin hoitamisen

42 Tuleva tutkimus Toksikologisia kokeita geneettisillä Parkinsonin taudin hiirimalleilla Toksikologisia kokeita Parkinsonin tautimalleilla ei-humaaneilla kädellisillä Kliinisten kokeiden aloittaminen 2014

43 Kiitokset Biotekniikan Instituutti Päivi Pulkkila Maria Lindahl Mikko Airavaara Johan Peränen Jaan-Olle Andressoo Ave Eesmaa Erik Palm Tatiana Danilova Farmakologian osasto Merja H. Voutilainen Raimo K. Tuominen Petteri Piepponen Yliopisto Pittsburgh Yliopisto Kentucky Judy L. Cameron, FT Zhiming Zhang, FT Yi Ai, FT Richard Grondin, FT Amanda Dettmer, FT Krishna Subramanian