Käsitykset Alzheimerin taudin patogeneesista muuttumassa. Marc Baumann, Pentti Tienari ja Matti Haltia

Transkriptio

1 Katsaus Käsitykset Alzheimerin taudin patogeneesista muuttumassa Marc Baumann, Pentti Tienari ja Matti Haltia Alzheimerin taudin solu- ja molekyylitason perusmekanismeista on saatu 1990-luvun aikana runsaasti uutta tietoa tutkimalla erityisesti taudin harvinaisia periytyviä muotoja. Nykyisin tunnetaan kolme eri geeniä, amyloidiprekursoriproteiini- sekä preseniliini 1- ja 2-geenit, joiden mutaatiot aiheuttavat varhain alkavan familiaalisen Alzheimerin taudin. Näiden geenivirheiden ilmentäminen solu- ja eläinmalleissa on vahvistanut käsitystä siitä, että amyloidiprekursoriproteiinista normaalistikin pilkkoutuvalla, Alzheimerin taudin amyloidikertymissä (amyloidiplakit) runsaasti esiintyvällä beeta-amyloidipeptidillä, on keskeinen rooli familiaalisen Alzheimerin taudin patogeneesissä. Kaikki tunnetut Alzheimerin tautiin liittyvät geenimutaatiot aiheuttavat muutoksia amyloidiprekursoriproteiinin metaboliassa siten, että beeta-amyloidipeptidiä muodostuu enemmän sellaisessa muodossa, joka ei pysy liukoisena vaan sakkautuu helposti. Lisäksi näyttää siltä, että tauti mahdollisesti alkaa hermosolujen sisältä jo ennen solunulkoisten plakkien kehittymistä. Niinpä lienee tarpeen muuttaa perinteistä»amyloidikaskadihypoteesia», jonka mukaan amyloidiprekursoriproteiinin häiriintynyt metabolia johtaa plakkien syntymiseen, mikä vuorostaan aiheuttaa mikrogliasolujen aktivaation ja käynnistää lopulta Alzheimerin tautiin johtavan reaktioketjun. Tässä katsauksessa keskitymme uuden hypoteesin lähempään tarkasteluun. Esitämme myös lyhyesti ajatuksemme siitä, miten uusi tieto mahdollisesti vaikuttaa tulevaisuuden lääkekehityshankkeisiin. Alzheimerin tauti (AD) on suurin yksittäinen syy vanhuusiän dementiaan. Sen esiintyvyys kaksinkertaistuu ikäkautena vuotta. Länsimaissa noin 4 % kaikista yli 65- vuotiaista on dementoitunut AD:n seurauksena, yli 85-vuotiaista jo 20 % (Hoffman ym. 1991). Varma diagnoosi edellyttää kliinisesti todetun dementian lisäksi AD:lle tyyppillisten neuropatologisten kudosmuutosten toteamista. Ruumiinavauslöydösten perusteella kliinisen diagnoosin osuvuus on noin %. Neuropatologisiin muutoksiin kuuluvat lähinnä isoaivokuoreen rajoittuvat solunulkoiset amyloidiplakit sekä hermosolujen sisäiset neurofibrillivyyhdet ja neuronikato. Plakit koostuvat pääasiallisesti beeta-amyloidipeptidistä (Aβ), joka on osa isompaa, useimmissa soluissa ilmenevää amyloidiprekursoriproteiinia (APP). Aβ muodostaa osan solun ulkopuolisesta ja osan solun kalvossa olevasta proteiinista (kuva 1). Amyloidiplakit sisältävät lisäksi joukon muita proteiineja, mm. AD:n riskitekijöihin kuuluvaa apolipoproteiini E:tä (ApoE) (Castano ym. 1995). Neurofibrillivyyhdet koostuvat pääasiallisesti hyperfosforyloituneesta tau-proteiinista, joka liittyy hermosolujen mikrotubulusten toimintaan. Tau sitoutuu normaalisti mikrotubuluksiin mutta hyperfosforyloituessaan menettää tämän kyvyn. Molempia proteiineja tuottavista geeneistä on löydetty mutaatioita. APP:n mutaatiot johtavat varhain alkavaan familiaaliseen AD:hen tai amyloidiangiopatiaan. Aivan äskettäin raportoidut tau-mutaatiot sen sijaan johtavat AD:stä poikkeavaan taudinkuvaan, fronto-temporaali- Duodecim 1999; 115:

2 NH 2 β 1 D A E M K KM NL (ruotsalainen) F R H D S G Y E H V α H Q K L F V F A E D p3 COOH Aβ γ G V S N K G I A I G L M G V G 40 V V I T A V 42 I V I V Ulkokalvo F,G tai I (lontoolainen) I V (floridalainen) L T V M L Sisäkalvo Kuva 1. Kaavio amyloidiprekursoriproteiinista (APP) ja suurennos sen Aβ-osasta (punaiset aminohappopallot ovat Aβ:aa). α, β ja γ ovat APP:tä pilkkovien hypoteettisten alfa-, beeta- ja gammasekretaasien katkaisukohtia. Aβ- ja P3-peptidit syntyvät näiden sekretaasien toiminnan tuloksena. Familiaalista Alzheimerin tautia aiheuttavat mutaatiot (ruotsalainen, lontoolainen ja floridalainen) on myös merkitty kuvaan. Amyloidiangiopatiaa aiheuttavia mutaatiokohtia 692 (flaamilainen mutaatio) ja 693 (hollantilainen mutaatio) ei ole merkitty kuvaan. APP = amyloidiprekursoriproteiini. seen dementiaan ja parkinsonismiin (Hutton ym. 1998) tai multisysteemitauopatiaan, johon liittyy preseniili dementia (Spillantini ym. 1998). AD:n tutkimusta on leimannut kiista siitä, ovatko taudin puhkeamisen syynä Aβ:aa sisältävät plakit vai tau-proteiinia sisältävät vyyhdet. Nykytiedon valossa näyttää siltä, ettei kumpikaan yksinään ole taudin aiheuttaja vaan tauti saattaa alkaa jo ennen plakkien ja vyyhtien muodostumista.»amyloidikaskadihypoteesin» mukaan solun ulkopuolisten plakkien syntyminen aiheuttaa reaktioketjun, jonka seurauksena AD syntyy. Nyt näyttäisi kuitenkin siltä, etteivät amyloidiplakit ehkä olekaan patogeneettisesti keskeisiä vaan lähinnä tautiprosessin sivutuote tai lopputulos. Kuten jo edellä mainitsimme, aiheuttavat kaikki tunnetut AD:hen liittyvät geenimutaatiot APP:n metaboliassa muutoksia, joiden seurauksena siitä pilkkoutuu tavallista enemmän Aβ-peptidiä sellaisessa muodossa, ettei se juuri pysy liukoisena vaan sakkautuu helposti. Sakkautuva peptidi voi tarttua vielä liukoisessa muodossa oleviin Aβ-peptideihin tai muihin proteiineihin pakottaen nekin sakkautumaan. Tämän ketjureaktion seurauksena hermosolu vaurioituu ja lopulta kuolee. Kuvassa 2 on esitetty klassisen»amyloidikaskadihypoteesin» kaavio ja oma, uusimpaan tutkimustietoon perustuva näkemyksemme beetapeptidin osuudesta AD:n synnyssä. Alzheimerin tautiin geneettisesti kytkeytyvät proteiinit Varhain (alle 65 vuoden iässä) alkavaan familiaaliseen AD:hen kytkeytyy geneettisesti ainakin kolme eri proteiinia, nimittäin APP ja preseniliinit 1 ja 2 (PS-1 ja PS-2). Myöhäisellä iällä alkavassa AD:ssä ApoE-geenin tietyt alleelit lisäävät sairastumisriskiä. APP on kda:n kokoinen glykoproteiini, joka voi esiintyä reseptorin kaltaisena kal- 768 M. Baumann ym.

3 A B APP APP Amyloidiplakit Mikro- ja astroglian aktivaatio + Amyloidiplakit Beetaamyloidipeptidi Preseniliinit + ApoE Säikeistyminen/ sakkautuminen Beeta-amyloidipeptidi? Hermosolujen rappeutuminen ja dementia Hermosolujen rappeutuminen ja dementia Kuva 2. A) Klassinen amyloidikaskadihypoteesi. B) Oma, nykyaikaistettu näkemyksemme beeta-peptidin osuudesta Alzheimerin taudissa. APP = amyloidiprekursoriproteiini. voproteiinina tai proteolyyttisen pilkkoutumisen jälkeen myös liukoisessa muodossa. Liukoinen muoto sisältää solun ulkopuolelle jäävän osan. APP:n normaali biologinen tehtävä ei ole vielä selvinnyt, mutta tiedetään, että se on nk. akuutin vaiheen proteiini, jonka tuotanto lisääntyy mm. kudosvaurion seurauksena. Poistogeenisten hiirten elinaika on jonkin verran lyhentynyt, ja niille kehittyy aivoihin glioosia (Zheng ym. 1995), mikä viittaa siihen, että APP:llä saattaa olla hermosoluja suojeleva vaikutus. Ensimmäisen varhain alkavaan familiaaliseen AD:hen johtavan mutaation löysi John Hardyn työryhmä v APP-geenistä kromosomista 21 (Goate ym. 1991). Nyt samasta geenistä on löydetty kaikkiaan viisi erilaista familiaaliseen AD:hen ja kaksi amyloidiangiopatiaan johtavaa mutaatiota. Mutaation sijainti näyttää ratkaisevan sen, millainen taudinkuva potilaalle syntyy. Familiaalinen AD syntyy silloin, kun mutaatio sijaitsee juuri ennen tai jälkeen Aβ-sekvenssin; mutaatio itse Aβ:n alueella taas aiheuttaa amyloidiangiopatiaa ja aivoverenvuototaipumuksen, johon saattaa liittyä myös dementiaa (kuva 1). APP voi normaalisti hajotessaan pilkkoutua kahdella eri tavalla, joista vain toinen mahdollistaa Aβ:n muodostumisen. Ns. alfareitillä hypoteettinen alfasekretaasi katkaisee APP:n Aβ:n aminohappojen 16 ja 17 välistä estäen siten täyspitkän Aβ:n ja samalla myös amyloidin muodostumisen. Alfasekretaasientsyymiä ei ole vielä löydetty. Tämän jälkeen niin ikään hypoteettinen gammasekretaasi jatkaa pilkkomista Aβ:n kohdasta 40 43, jolloin APP:stä vapautuu aminohapon pituinen fragmentti p3 (kuva 1), joka ei luultavasti ole patogeeninen. Toinen APP:n pilkkoutumistie, ns. beetareitti johtaa Aβ:n muodostumiseen. Siinä beetasekretaasi-niminen, niin ikään vielä löytymätön entsyymi pilkkoo APP:n aivan Aβ:n ensimmäisen aminohapon N-terminaaliselta puolelta. Beetaja gammasekretaasien yhteistyö tuottaa noin aminohappoa pitkän Aβ-peptidin. 40 aminohappoa pitkä peptidi, josta tässä katsauksessa käytämme yleisen kansainvälisen käytännön mukaan lyhennettä Aβ40, esiintyy liukoisena ainakin veressä, selkäydinnesteessä ja virtsassa. Sensijaan 42 tai 43 aminohappoa pitkä peptidi, jota kutsumme tässä Aβ42:ksi, on lähes liukenematon. Aβ:aa vastaavan aminohappoalueen normaalia tehtävää ei tunneta, mutta yksi sen biologisista toiminnoista näyttäisi liittyvän APP:n aksonaalisen kuljetuksen säätelyyn (Tienari ym. 1996). Gammasekretaasin toiminta on sangen poikkeuksellinen, sillä entsyymin katkaisukohta sijaitsee solukalvon sisällä. Tämä saattaa selittää katkaisukohdan epätarkkuuden. Edellä maini- Käsitykset Alzheimerin taudin patogeneesista muuttumassa 769

4 tuista kolmesta sekretaasista juuri gammasekretaasi näyttää olevan tärkeä AD:ssä, sillä se voi katkaista Aβ:n useammasta kohdasta. Jos leikkaus tapahtuu Aβ:n kohdasta 40 (liukoisempi muoto), ei peptidin patogeenisuus ole niin suuri kuin jos sama peptidi katkeaa kohdasta (helposti sakkautuva muoto). Kaikki AD:hen liittyvät mutaatiot viittaavat vahvasti sakkautuvan muodon Aβ42 keskeiseen osuuteen, sillä kaikkien tutkittujen mutaatioiden seurauksena APP:n proteolyysi muuttuu siten, että Aβ42:ta muodostuu noin kaksi kertaa enemmän kuin normaalisti (Scheuner ym. 1996, Hardy ym. 1997, Tienari ym. 1997) (taulukko 1). Preseniliinit. PS-1-geeni kromosomissa 14 paikannettiin vuonna 1995 (Sherrington ym. 1995). Tästä geenistä on löytynyt jo yli 50 erilaista familiaaliseen AD:hen johtavaa mutaatiota (kuva 3). PS-2-geeni kromosomissa 1 löydettiin vielä samana vuonna PS-1- ja PS-2-geenien samankaltaisuuden (sekvenssihomologia) perusteella komplementaari-dna-tietokannasta. PS-2-geenin mutaatioita löydettiin nopeasti eräistä volgansaksalaista sukujuurta olevista perheistä, joiden neuropatologisesti vahvistettu AD oli jo aiemmin yhdistetty kromosomiin 1. PS-2-geenistä on löytynyt tähän mennessä kaksi erilaista familiaalista AD-mutaatiota. Taulukko 1. Alzheimerin tautiin liittyvät geneettiset virheet ja niiden biokemiallinen vaikutus. Geneettinen virhe Biokemiallinen vaikutus Downin Enemmän APP-proteiinia syndrooma Enemmän Aβ-1 (42/43) sekä peptidiä APP 670/671 Beetasekretaasin katkaisukohta muuttunut (ruotsalainen) Enemmän Aβ-1 42/43 sekä peptidiä APP 716 Gammasekretaasin katkaisukohta muuttunut (floridalainen) Enemmän A-β-1 42/43-peptidiä APP 717 Gammasekretaasin katkaisukohta muuttunut (lontoolainen) Enemmän A-β-1 42/43-peptidiä PS-1-mutaatiot APP-prosessointi häiriintynyt Enemmän A-β-1 42/43-peptidiä PS-2-mutaatiot APP-prosessointi häiriintynyt Enemmän A-β-1 42/43-peptidiä PS-1-mutaatiot johtavat erittäin varhain alkavaan familiaaliseen AD:hen; nuorin tapaus lienee alkanut 29 vuoden iässä. PS-2-mutaatioihin liittyy hieman myöhäisempi sairastuminen (50 60-vuotiaana), joissakin yksittäistapauksissa vasta yli 80-vuotiaana. Preseniliinit ovat ns. serpentiinikalvoproteiineja, jotka kulkevat solukalvon läpi 6 8 kertaa (kuva 3). Preseniliinien toiminta liittyy kudosten erilaistumiseen, rakenteelliseen säätelyyn ja apoptoottisen solukuoleman säätelyyn (Roperch ym. 1998). Poistogeeniset hiiret kuolevat sikiö- tai neonataalivaiheessa, ja niillä esiintyy usean elinjärjestelmän kehityshäiriöitä (Shen ym. 1997). Apolipoproteiini E ja muut myöhäisellä iällä alkavan taudin geneettiset riskitekijät Lieviä mutta laadullisesti AD:n aivomuutosten kaltaisia vaurioita ilmenee lukuisilla vanhuksilla, jotka eivät ole dementoituneet. Eräiden näkemysten mukaan nämä aivomuutokset edustavat AD:n prekliinistä vaihetta ja jokainen ihminen dementoituisi, jos eläisi riittävän vanhaksi. Joillakin yksilöillä dementoitumiseen johtavat mekanismit ovat niin korostuneita, että he vain yksinkertaisesti»ehtivät» sairastua jo elinaikanaan. Varhain alkavat familiaaliset AD:n muodot edustavat kuitenkin vain pientä osaa kaikista AD-tapauksista (alle 5 %). Yleisin AD:n diagnosoimisikä on vuotta, ja tässä iässä sairastuvilla on todennäköisesti sekä geneettisiä että ympäristön riskitekijöitä. Vanhojen aivojen neuronit ovat selvästi herkempiä tuhoutumaan Aβ:n vaikutuksesta (Geula ym. 1998), mikä mahdollisesti selittää osaltaan taudin esiintyvyyden jyrkän kasvun väestön vanhetessa. Apolipoproteiini E (ApoE) kromosomissa 19 on 1990-luvun aikana tunnistettu AD:lle altistavaksi geeniksi (Strittmatter ym. 1993, Kuusisto ym. 1994, Polvikoski ym. 1995). ApoE:llä on kolme geneettistä valta-alleelia ε2, ε3 ja ε4. Niistä syntyy kolme proteiinia E2, E3 ja E4, jotka eroavat toisistaan vain muutaman aminohapon verran. Sairastumisriski kasvaa tavallisimmin esiintyvillä genotyypeillä järjestyksessä ε2/ε3 < ε2/ ε4 ~ ε3/ ε3 < ε3/ ε4 < ε4/ ε4. Sama 770 M. Baumann ym.

5 N Solun ulkopuoli Eksoni C Proteolyyttinen katkaisukohta Eksoni Solun sisäpuoli Kuva 3. Kaavakuva preseniliini 1 -proteiinista. Numerot viittaavat aminohappoihin, joiden mutaatioita on todettu familiaalisessa Alzheimerin taudissa. Preseniliini 2 on rakenteeltaan lähes samanlainen. genotyyppien hierarkia liittyy myös seerumin kolesterolin ja ApoE:n väliseen yhteyteen siten, että ε4/ ε4 yhdistyy suurimpiin kolesterolipitoisuuksiin (Ehnholm ym. 1986). ApoE ε4:n kantajuus alentaa merkittävästi AD:n ilmaantumisikää, ja onkin epäilty, että tämän muodon biologinen vaikutus olisi nimenomaan tautiprosessin nopeuttamisessa. Miten ApoE sitten liittyy AD:n mekanismeihin? Tästä aiheesta käydään edelleen vilkasta keskustelua, eikä kysymystä ole ratkaistu. Eniten tukea sekä in vitro että in vivo on saatu hypoteesille, jonka mukaan ApoE edistäisi Aβ:n sakkautumista. Kun ApoE-poistogeeninen hiiri (ApoE / ) risteytettiin APP-mutaatiota kantavan hiiren kanssa (Bales ym. 1997), ApoE / -hiirille kehittyi huomattavasti vähemmän aivojen amyloidoosia kuin ApoE +/+ -hiirille. Uusimmat tutkimustulokset viittaavat siihen, että ε4-alleeli ei ole ainoa ApoE-geeniin liittyvä AD:lle altistava tekijä. ApoE-geenin säätelyalueelta on nimittäin löydetty väestössä laajemmin esiintyvä muutos (polymorfia), joka liittyy AD:hen ε4:stä riippumatta (Bullido ym. 1998, Lambert ym. 1998). Kyseinen polymorfia lisää ApoE:n lähetti-rna:n (mrna) tuotantoa ainakin hepatoomasoluissa ja aivoissa. Siten ApoE:hen näyttää liittyvän kaksi AD:n kehittymistä jouduttavaa ominaisuutta, E4-isomuoto ja ApoE:n lisääntynyt tuotanto, sekä niiden yhdistelmä. Toinen vastikään havaittu geneettinen yhteys AD:hen liittyy α-2-makroglobuliinigeenin polymorfiaan kromosomissa 12 (Blacker ym. 1998). Tämä polymorfia lisää samoin kuin apoe Aβ:n määrää isoaivokuoressa (Myllykangas ym., julkaisematon havainto). Muita väestössä yleisiä geneettisiä riskitekijöitä ei ole vielä todettu varmasti. Muut mahdolliset riskitekijät Viitteitä muista AD:n riskitekijöistä on luvulla saatu runsaasti. Veren kolesterolipitoisuus näyttää olevan AD-potilailla suurentunut ennen sairastumista. Laajassa suomalaistutkimuksessa yhteys suuren kolesteroliarvon ja sittemmin kehittyvän AD:n välillä oli vieläpä voimakkaampi kuin yhteys ApoE:hen (Notkola ym. 1998). Sairastumisen jälkeen kolesterolipitoisuudet pienenevät alle verrokkien arvojen. Seerumin lisääntyneen kolesterolin yhteys AD:hen on Käsitykset Alzheimerin taudin patogeneesista muuttumassa 771

6 epäselvä, mutta se saattaa välittyä aivoiskemian tai keskushermoston solukalvojen kolesterolitasapainon kautta. Myös ateroskleroosi on havaittu AD:n riskitekijäksi. Tämä yhteys on erityisen ilmeinen ApoE ε4 -alleelin kantajilla (Hofman ym. 1997). Lisäksi keski-iän hypo- tai hypertensio näyttää olevan AD:n riskitekijä myöhäisellä iällä sairastuvilla (Skoog ym. 1996, Guo ym. 1998). Suurentunut kolesterolipitoisuus, ateroskleroosi ja hypo- tai hypertensio voidaan kliinisten AD-diagnoosiin perustuvien tutkimusten pohjalta katsoa AD:n riskiä lisääviksi ympäristötekijöiksi, ja niiden vaikutus on korostunut vanhemmalla iällä sairastuvien joukossa. Näillä potilailla tauti ei ehkä olekaan puhtaasti neurodegeneratiivinen ja rajanveto vaskulaariseen dementiaan nähden on yhä epämääräisempää. Onko edellä mainituilla riskitekijöillä yhteyttä APP-metaboliaan? APP on akuutin vaiheen proteiini, jonka ilmentyminen lisääntyy monenlaisen metabolisen stressin seurauksena. Aivoiskemia ja -traumat saattavat olla tällaisia stressitekijöitä. Koe-eläimille aiheutettu aivoiskemia lisää paikallisesti APP:n määrää hermo- ja gliasoluissa ja näyttää myös lisäävän Aβ:n määrää (Kalaria ym. 1993, Banati ym. 1995). Ovatko beeta-amyloidiplakit keskeisiä? Vaikka amyloidiplakit ovat AD:n neuropatologisessa diagnostiikassa keskeinen kriteeri, niillä ei välttämättä ole merkitystä neuronikatoon ja dementiaan johtavassa varhaisessa patogeneettisessä tapahtumaketjussa. Plakkeja muodostuu myös normaalin vanhenemisen myötä, eikä niihin läheskään aina liity dementiaa. Plakkien primaarinen patogeneettinen merkitys AD:ssä on kyseenalaistettu mm. viimeaikaisten siirtogeenisillä hiirillä tehtyjen kokeiden perusteella. Hiirissä, joihin on siirretty APP-mutaatio tai APP- ja PS-1-mutaatiot yhdessä, ilmenee kognitiivisen toiminnan heikkenemistä jo ennen kuin plakkeja on ehtinyt edes muodostua (Holcomb ym. 1998). Tärkeä on myös suomalainen uudenlaiseen rakenteelliseen PS-1-mutaatioon liittyvä AD-muoto, jossa neuropatologisesti ei ole juuri todettavissa klassisia amyloidiplakkeja. Sen sijaan isoaivokuoressa on havaittavissa suuria pumpulipallomaisia kertymiä, joiden koostumus on epäselvä (Crook ym. 1998). Tässäkin geenivirheessä käytännön seurauksena on Aβ42:n lisääntynyt tuotanto, mutta tyypillisiin amyloidiplakkeihin se ei johda. Edellä mainitut näkökohdat viittaavat siihen, että amyloidiplakit edustavat pikemminkin tautiprosessin sivutuotetta tai lopputulosta kuin varhaisen patogeneesin kannalta merkityksellistä rakennetta. Aβ42:n osuus Alzheimerin taudin patogeneesissä Aβ on heterogeeninen ryhmä noin aminohapon pituisia peptidejä. Pääosa aivoihin kertyvästä Aβ:sta on valtamuotoa Aβ40. Aβ42:n osuus kokonais-aβ:sta on vähäisempi. Aβ42 on fysikokemiallisilta ominaisuuksiltaan hyvin erilainen kuin Aβ40, sillä Aβ42 ei juuri pysy liukoisena vaan sakkautuu paljon nopeammin kuin Aβ40. Ensimmäiset arvelut Aβ42:n keskeisestä roolista esitettiin jo 1980-luvulla, kun havaittiin, että aivoparenkyymin amyloidissa pidemmän Aβ42:n osuus oli korostunut verrattuna vaskulaariseen amyloidiin, joka muodostuu lähes yksinomaan lyhyemmästä muodosta Aβ40. Tämän jälkeen todistusaineistoa Aβ42- hypoteesin tueksi on saatu usealla eri tavalla, mm. uusia Aβ40- ja Aβ42-spesifisiä monoklonaalisia vasta-aineita sekä massaspektrometriaa hyödyntäen. Kromosomin 21 trisomiassa (Downin syndrooma) ihmisellä on APP-geenistä yksi ylimääräinen kopio. Tämä johtaa hyvin varhaiseen aivojen amyloidoosiin, ja Downin syndroomassa AD kehittyy noin 30 vuotta aikaisemmin kuin vertailuväestölle. Downin syndroomassa Aβ42:ta on löydettävissä aivoista jo sikiökaudella (Teller ym. 1996). Neuropatologisten tutkimusten mukaan Aβ42:n osuus aivojen varhaisissa plakeissa on korostunut sekä varhain alkavassa familiaalisessa AD:ssä että myöhäisellä iällä alkavassa taudissa (Iwatsubo ym. 1994). Kuten edellä mainitsimme, liittyy kaikkiin familiaalista AD:tä aiheuttaviin APP- ja preseniliinimutaatioihin jo prekliinisessä vaiheessa lisääntynyt Aβ42:n tuotanto. Aβ42:n muodostuminen edeltää siis selvästi AD:n puhkeamista, mikä 772 M. Baumann ym.

7 viittaa siihen, että kyseessä on pikemminkin taudin syy kuin sen seuraus. Näyttää siltä, että Aβ42 voisi toimia amyloidin muodostuksessa eräänlaisena alukkeena, ja kun alustava sakkautuma on syntynyt, siihen alkaa kertyä yhä enemmän myös Aβ40:tä. Osa Aβ42:sta pilkkoutuu todennäköisesti itsekin hiljalleen Aβ40:ksi. Mitä tiedämme neuroneista ja Aβ42:sta? Neuronit poikkeavat APP:n prosessoinnin suhteen perifeerisistä soluista kahdella tärkeällä tavalla: Aβ-peptidiä syntyy neuroneissa huomattavasti enemmän (neuronit prosessoivat APP:tä siis amyloidogeenisesti), ja neuroneissa esiintyy Aβ:aa myös solunsisäisenä. Näillä neuroniin liittyvillä APP:n prosessointiominaisuuksilla on todennäköisesti merkitystä AD:n synnyssä, ovathan nimenomaan neuronit tämän taudin uhreja. Solunsisäisen Aβ-peptidin rooli AD:ssä on tullut keskustelun aiheeksi vasta muutaman viime vuoden aikana; tätä ennen huomio oli keskitetty solunulkoisiin amyloidiplakkeihin (vrt. kuva 2). Aβ42:n prosenttiosuus koko Aβ:n määrästä on suurempi solun sisä- kuin ulkopuolella (Tienari ym. 1997). Aβ40:n ja Aβ42:n määrällinen suhde on siis erilainen solun sisä- ja ulkopuolella. Aβ42 paikantuu hermosolun sisäpuolella pääasiassa solulimakalvostoon eli endoplasmiseen retikkeliin (ER), kun taas Aβ40:tä on Golgin laitteessa ja endosomeissa (Cook ym. 1997, Hartmann ym. 1997, Tienari ym. 1997). On erittäin mielenkiintoista, että Aβ42:ta on löydetty melkeinpä vain yhdestä soluorganellista. Saattaa nimittäin olla, että AD:n patologiset prosessit alkavat juuri sieltä. Löydöksen jännittävyyttä lisää se, että myös PS-1- ja PS-2-proteiinit paikantuvat suurelta osin juuri solulimakalvostoon ja että preseniliinit ja APP näyttävät sitoutuvan siellä toisiinsa (Weidemann ym. 1997, Xia ym. 1997). APP:llä ja preseniliineillä voi siis olla suora yhteys toistensa toimintoihin. De Strooper ym. (1998) ovat osoittaneet PS1 / -hiirillä, että PS-1:n puuttuminen hidastaa gammasekretaasin toimintaa. Emme tosin 1 Yan ym. ovat nimenneet ERAB:n uudelleen ICAB:ksi (intracellular amyloid binding protein) (henkilökohtainen tiedonanto). vielä tiedä, tarvitaanko PS-1:tä APP:n ja gammasekretaasin yhteen saattamiseksi vai vaikuttaako se suoraan entsyymin aktiivisuuteen. Miten Aβ42:n muodostuminen solulimakalvostossa voisi sitten liittyä AD:hen? Ovatko solulimakalvoston tapahtumat amyloidipatologian alku? Varmaa vastausta ei vielä tiedetä, mutta on mahdollista, että solunsisäinen Aβ42 sakkautuessaan häiritsee muiden neuronispesifisten proteiinien toimintaa niin paljon, että hermosolu lopulta kuolee (kuva 4). Yksi potentiaalinen solunsisäinen interaktiopartneri on juuri löydettykin: solulimakalvoston amyloidia sitova proteiini endoplasmic-reticulum amyloid-binding protein, ERAB 1. Se on normaalisti solulimakalvostossa sijaitseva proteiini, joka siirtyy solun pintaan, kun Aβ:aa lisätään soluviljelynesteeseen. Solu kuolee tämän seurauksena apoptoottisesti (Yan ym. 1997). Erityisen voimakas solukuolemaa edistävä vaikutus tuli esiin, kun ERAB:tä ja Aβ:aa ilmennettiin yhtä aikaa solun sisällä. Neuronit joutuvat siis AD:ssä ilmeisesti sekä solunsisäisen että solunulkoisen Aβ:n toksisten vaikutusten kohteiksi. Tuntuisi myös luonnolliselta, että esimerkiksi juuri tau-proteiinin hyperfosforylaatio olisi yksi välitön seuraus tästä häiriöstä. Onhan hyperfosforyloituva tau ensimmäisiä proteiineja joita solukuolemaan lähtevässä hermosolussa havaitaan. Apoptoottisen neuronikuoleman merkitys AD:n mekanismissa on yhä epäselvä. ERAB:n lisäksi tunnetaan muitakin Aβ:n sitoutumiskohteita, kuten RAGE (receptor for advanced glycation end products) (Yan ym. 1996),»scavengerreseptori ja megaliini/glykoproteiini 330 (LaFerla ym. 1997). Aβ:n sitoutuminen näihin reseptoreihin vaikuttaa soluihin toksisesti (Yan ym., henkilökohtainen tiedonanto). Edellä mainittujen Aβ:aa sitovien proteiinien määrä näyttää olevan lisääntynyt AD-potilaiden neuroneissa. Käsityksiä Alzheimerin taudin lääkehoidosta Yli kaksikymmentä vuotta sitten tutkijat raportoivat todenneensa Alzheimer-potilaiden aivokudoksessa erittäin pieniä koliiniasetyylitransferaasin (ChAT) aktiivisuuksia (Perry ym. Käsitykset Alzheimerin taudin patogeneesista muuttumassa 773

8 ERkalvo Aβ42:n muodostuminen APP-PS1/2- interaktio Tuma Golgi Aβ42:n patologiset interaktiot muiden proteiinien kanssa? Aβ42:n sakkautuminen/ säikeistyminen? Solun toiminnan häiriintyminen ja kuolema ER Kuva 4. Aβ42:n muodostuminen hermosolun solulimakalvostossa (ER) ja sen mahdolliset patologiset seuraamukset. 1978a). Tämän entsyymin tehtävänä on tuottaa hermosoluille hermosignaalin välittäjäainetta asetyylikoliinia. Pian löydös vahvistettiin toteamalla AD-potilaiden kolinergisten hermosolujen massiivinen katoaminen Meynertin tumakkeista etuaivojen tyviosassa. Entsyymiaktiivisuuden vähäisyys korreloi selvästi hermosolujen katoamiseen, seniilien plakkien määrään sekä kognitiivisten muistitoimintojen häiriöihin (Perry ym. 1978b, Smith ym. 1978). Jatkotutkimukset osoittivat kuitenkin pian, etteivät vauriot rajoittuneet vain kolinergisiin hermosoluihin vaan kohdistuivat myös muista välittäjäaineista riippuvaisiin neuroneihin. Oli luonnollista valita edellämainituista syistä lääkekehityksen kohteeksi jokin asetyylikoliinimetaboliaan vaikuttava aine. Koska ChATentsyymin aktiivisuuden lisääminen osoittautui erittäin hankalaksi, keskityttiin asetyylikoliinia hajottavan entsyymin asetyylikoliiniesteraasin (AChE) aktiivisuuden vähentämiseen. Niinpä nyt markkinoille tulleet tai tulevat lääkkeet ovatkin pääasiassa juuri AChE:n estäjiä. Ensimmäinen asetyylikoliiniesteraasin estäjä takriini tuli Yhdysvalloissa markkinoille vuonna Nyt kaupan ovat jo kolmen lääkeyrityksen lähes rinnakkaiset valmisteet: takriini, donepetsiili sekä rivastigmiini. Vaikka kaikki kuuluvatkin AChE:n estäjiin, niiden tehoissa ja sivuvaikutuksissa on selviä eroja (Sulkava 1998). Edellämainittujen lääkeiden lisäksi ainakin antioksidantit, estrogeenit sekä anti-inflammatoriset lääkkeet näyttävät hidastavan AD:n etenemistä (Drachman 1997, Sano ym. 1997). Selegiliini (monoamiinioksidaasin estäjä), jota käytetään Parkinsonin taudin hoitoon, sekä E-vitamiini ovat erikseen tai yhdessä hidastaneet AD-potilaiden joutumista laitoshoitoon. Estrogeenien on myös väitetty hidastavan AD:n etenemistä ainakin joissakin tapauksissa, mutta kontrolloitujen tutkimusten puutteen vuoksi tulosten merkitys on 774 M. Baumann ym.

9 epävarma (Haskell ym. 1997). Estrogeenien on todettu estävän Aβ:n toksisuutta ja sen muodostumista soluviljelmissä (Keller ym. 1997, Mook- Junk ym. 1997). AD:tä sairastavien aivoissa on todettu viitteitä sytokiinien ja muiden akuutin vaiheen proteiinien aiheuttamista tulehduksellisista muutoksista, jotka voisivat osaltaan olla syynä taudin nopealle etenemiselle. Tähän perustuu ajatus tulehdusta estävien lääkkeiden käytöstä AD:n hoidossa (Aisen ja Pasinetti 1998). Jokaiseen tautiin (myös AD:hen) voidaan suunnitella symptomaattisia ja ehkäiseviä hoitoja. Jos oletamme, että kuvaamamme tutkimustulokset pätevät myös myöhäisiällä alkavassa AD:ssä ja että Aβ42:n ratkaiseva osuus AD:n synnyssä voidaan vahvistaa, on taudin puhkeaminen periaatteessa estettävissä lääkkeillä, jotka vaikuttavat amyloidin kertymiseen aivoissa. Ainakin kaksi päälinjaa on jo nyt hyväksytty tutkimushankkeiksi luvun perustutkimus on tuonut nimenomaan APP:n gammasekretaasin mielenkiintoiseksi farmakologisen intervention kohteeksi. Familiaalisessa AD:ssä noin kaksinkertainen Aβ42:n muodostuminen APP-, PS1- tai PS2-geenivirheiden yhteydessä alentaa sairastumisikää vuotta. Tämän perusteella voidaankin pohtia sitä, kuinka paljon sairastumisikä nousisi, jos Aβ42:n tuotantoa voitaisiin vähentää esimerkiksi %. Jo kymmenen vuoden nousu sairastumisiässä saattaisi pienentää AD:n esiintyvyyden alle puoleen nykyisestä. Aβ42 on mielekäs interventiokohde, sillä sen muodostumista ehkäisevällä lääkkeellä olisi vain vähän vaikutusta kokonais-aβ:aan (Aβ42 käsittää alle viidenneksen koko Aβ:sta). Näin ollen se vaikuttaisi vain vähän APP:n fysiologiseen toimintaan. Gammasekretaasin toimintaa estäviä»gammasalpaajia» tunnetaan jo muutamia, mutta ne eivät estä selektiivisesti Aβ42:ta ja ovat liian toksisia lääkkeinä käytettäviksi. Toinen menettelytapa uusien aineiden kehittämisen rinnalla olisi tarkastella jo tunnettujen lääkkeiden mahdollista epäsuoraa vaikutusta Aβ42:n muodostumiseen. Beetasekretaasiin vaikuttavia lääkeaineita on jo löydettykin: esimerkiksi estrogeeni vähentää epäsuorasti beetasekretaasin toimintaa ja siten Aβ:n tuotantoa soluviljelmissä (Xu ym. 1998). Toisaalta Aβ:n toksisuutta voitaisiin vähentää aineilla, jotka estävät itse amyloidirakenteiden kehittymisen. Beetalaskoksen estäjät (beta-sheet breaker) sitoutuvat sekä Aβ40- että Aβ42-peptidiin, ennen kuin ne ehtivät polymerisoitua ja muuttua patogeenisiksi (Soto ym. 1996, Watson ym. 1997, Wood ym. 1997), jolloin peptidi joutuu normaalin proteiinihajoituksen kohteeksi. Beetalaskoksen estäjät voivat suotuisissa tapauksissa jopa liuottaa jo muodostuneita polymeereja (Soto ym. 1998). Huomautettakoon, että beetalaskoksen estäjät toimisivat, ainakin teoriassa, kaikissa amyloidooseissa sekä prionitaudin hoidossa. Ongelmana saattaa olla lääkevaikutuksen kohdistaminen oikeaan paikkaan esimerkiksi AD:ssä. Olemme tässä katsauksessa keskittyneet käsittelemään vain pientä osaa AD:n nykytutkimuksesta ja tietoisesti jättäneet pois monia, osin ajankohtaisiakin tutkimussuuntauksia (esim. gliasolujen merkityksen AD:ssä) sekä joitakin muita kehitteillä olevia hoitomuotoja (esim. hermosolujen kasvutekijöiden käytön). AD:n tutkimuksen nopea edistyminen luvulla edustaa modernia sovellusta klassisen genetiikan periaatteesta»treasure your exceptions». Tutkimalla Downin oireyhtymää ja AD:n harvinaisia perinnöllisiä muotoja on päästy patogeneettisesti tärkeiden ja osittain kaikille ADmuodoille yhteisten metabolisten väylien jäljille. Näiden perusmekanismien selviäminen avaa uuden aikakauden AD:n lääkkeiden kehittelyssä. Kirjallisuutta Aisen P S, Pasinetti G M. Glucocorticoids in Alzheimer s disease. The story so far. Drugs & Aging 1998; 12: 1 6. Bales K R, Verina T, Dodel R C, ym. Lack of apolipoprotein E dramatically reduces amyloid β-peptide deposition. Nature Genet 1997; 17: Banati R B, Gehrmann J, Wiessner C, ym. Glial expression of the betaamyloid precursor protein (APP) in global ischemia. J Cereb Blood Flow Metab 1995; 15: Blacker D, Wilcox M A, Laird N M, ym. Alpha-2 macroglobulin is genetically associated with Alzheimer-disease. Nature Genet 1998; 19: Bullido M J. Artiga M J, Recuero M, ym. A polymorphism in the regulatory region of ApoE associated with risk for Alzheimer s dementia. Nature Genet 1998; 18: Castano E, Prelli F, Frangione B. Apolipoprotein E and amyloidogenesis. Lab Invest 1995; 73: Käsitykset Alzheimerin taudin patogeneesista muuttumassa 775

10 Cook D G, Forman M S, Sung J C, ym. Alzheimer s A beta(1 42) is generated in the endoplasmic reticulum/intermediate compartment of NT2N cells. Nature Med 1997; 3: Crook R, Verkkoniemi A, Perez-Tur J, ym. A variant of Alzheimer s disease with spastic paraparesis and unusual plaques due to deletion of exon 9 of presenilin 1. Nature Med 1998; 4: Drachman D A. Treatment of Alzheimer s disease-searching for a breakthrough, settling for less. N Engl J Med 1997; 336: Ehnholm C, Lukka M, Kuusi T, Nikkila E, Utermann G. Apolipoprotein E polymorphism in the Finnish population: gene frequencies and relation to lipoprotein concentrations. J Lipid Res 1986; 27: Geula C, Wu C-K, Saroff D, Lorenzo A, Yuan M, Yankner B. Aging renders the brain vulnerable to amyloid beta-protein neurotoxicity. Nature Med 1998; 4: Goate A M, Chartier-Harlene C M, Mullan M, ym. Segregation of a missense mutation in the amyloid precursor protein gene with familial Alzheimer s disease. Nature 1991; 358: Guo Z, Viitanen M, Fratiglioni L, Winbland B. Low blood pressure and early death of elderly people with dementia. Lancet 1998; 352: Hardy J. Amyloid, the presenilins and Alzheimer s disease. TINS 1997; 20: Hartmann T, Bieger S C, Bruehl B, ym. Identification of cellular compartments of Alzheimer s disease β-amyloid peptide generation. Nature Med 1997; 3: Haskell S G. Richardson E D. Horwitz R I. The effect of estrogen replacement therapy on cognitive function in women: a critical review of the literature. J Clin Epidemiol 1997; 50: Hofman A, Rocca W A, Brayne C. ym. The prevalence of Dementia in Europa: a collaborative study of findings. Int J Epidemiol 1991; 20: Hofman A, Ott A, Bretele M M, ym. Atherosclerosis, apolipoprotein E, and prevalence of dementia and Alzheimer s disease in the Rotterdam Study. Lancet 1997; 349: Holcomb L, Gordon M N, MacGowan E, ym. Accelerated Alzheimer-type phenotype in transgenic mice carrying both mutant amyloid precursor protein and presenilin 1 transgenes. Nature Med 1998; 4: Hutton M, Lendon C L, Rizzu P, ym. Association of missense and 5 -splicesite mutations in tau with the inherited dementia FTDP-17. Nature 1998; 393: Iwatsubo T, Odaka A, Suzuki N, ym. Visualization of A beta 42(43) and A beta 40 in senile plaques with end-specific A beta monoclonals: evidence that an initially deposited species is A beta 42(43). Neuron 1994; 13: Kalaria R N, Bhatti S U, Palatinsky E A, ym. Accumulation of the betaamyloid precursor protein at sites of ischemic injury in rat brain. NeuroReport 1993; 4: Keller J N, Germeyer A, Begley J G, Mattson M P. 17Beta-estradiol attenuates oxidative impairment of synaptic Na+/K+-ATPase activity, glucose transport, and glutamate transport induced by amyloid beta-peptide and iron. J Neurosci Res 1997; 50: Kuusisto J, Koivisto K, Kervinen K, ym. Association of apolipoprotein E phenotypes with late onset Alzheimer s disease: population based study. BMJ 1994; 309: Laferla F, Troncoso J, Strickland D, ym. Neuronal cell death in AD correlates with apoe uptake and intracellular Aβ stabilization. J Clin Invest 1997; 100: Lambert J-C, Berr C, Pasquier F, ym. Pronounced impact of Th1/E47cs mutation compared with -491 AT mutation on neural APOE gene expression and risk of developing Alzheimer s disease. Hum Mol Genet. 1998; 7: Mook-Jung I, Joo I, Sohn S, Kwon H J, Huh K, Jung M W. Estrogen blocks neurotoxic effects of beta-amyloid (1 42) and induces neurite extension on B103 cells. Neuroscience Lett 1997; 235: Notkola I-L, Sulkava R, Pekkanen J, ym. Serum total cholesterol, apolipoprotein E4 and Alzheimer s disease. Neuroepidemiology 1998; 17: Perry C M, Perry R H, Blessed G, Tomlinson B E. Changes in brain cholinesterases in senile dementia of Alzheimer type. Neuropathology & Applied Neurobiology 1978(a); 4: Perry E K, Tomlinson B E, Blessed G, Bergmann K, Gibson P H, Perry R H. Correlation of cholinergic abnormalities with senile plaques and mental test scores in senile dementia. BMJ 1978(b); 2: Polvikoski T, Sulkava R, Haltia M, ym. Apolipoprotein E, dementia, and cortical deposition of beta-amyloid protein. N Engl J Med 1995; 333: Roperch J-P, Alvaro V, Prieur S, ym. Inhibition of ps1 expression is promoted by p53 and p21waf-1 and results in apoptosis and tumor supression. Nature Med 1998; 4: Sano M, Ernesto C, Thomas R G, ym. A controlled trial of selegiline, alpha-tocopherol, or both as treatment for Alzheimer s disease. N Engl J Med 1997; 336: Scheuner D, Eckman C, Jensen M, ym. Secreted amyloid beta-protein similar to that in the senile plaques of Alzheimer s disease is increased in vivo by the presenilin 1 and 2 and APP mutations linked to familial Alzheimer s disease. Nature Med 1996; 2: Shen J, Bronson R T, Chen D F, Xia W, Selkoe D J, Tonegawa S. Skeletal and CNS defects in Presenilin-1-deficient mice. Cell 1997; 89: Sherrington R, Rogaev E I, Liang Y, ym. Cloning of a gene bearing missense mutations in early-onset familial Alzheimer s disease. Nature 1995; 375: Skoog I, Lernfelt B, Landahl S, ym. 15-year longitudinal study of blood pressure and dementia. Lancet 1996; 347: Smith C M, Swash M. Possible biochemical basis of memory disorder in Alzheimer disease. Ann Neurol 1978; 3: Soto C, Kindy M, Baumann M, Frangione B. Inhibition of Alzheimer s amyloidosis by peptides that prevent beta-sheet conformation. Biochem Biophys Res Comm 1996; 226: Soto C, Sigurdsson E, Morelli L, Kumar A, Castano E M, Frangione B. β-sheet breaker peptides inhibit fibrillogenesis in a rat brain model of amyloidosis: implications for AD therapy. Nature Med 1998; 4: Spillantini M G, Murrell J R, Goedert M, Farlow M R, Klug A, Ghetti B. Mutation in the tau gene in familial multiple system tauopathy with presenile dementia. Proc Natl Acad Sci USA 1998; 95(13): Strittmatter W J, Saunders A M, Schmechel D, ym. Apolipoprotein E: high-avidity binding to beta-amyloid and increased frequency of type 4 allele in late-onset familial Alzheimer disease. Proc Natl Acad Sci 1993; 90: Sulkava R. Puolet saa avun dementia-lääkkeistä. Hels Lääkäril 1998; 5: 7 9. Teller J K, Russo C, DeBusk L M, ym. Presence of soluble amyloid betapeptide precedes amyloid plaque formation in Down s syndrome. Nature Med 1996; 2: Tienari P J, De Strooper B, Ikonen E, ym. The β-amyloid domain is essential for axonal sorting of amyloid precursor protein. EMBO J 1996; 15: Tienari P J, Ida N, Ikonen E, ym. Intracellular and secreted Alzheimer s β- amyloid species are generated by distinct mechanisms in cultured hippocampal neurons. Proc Natl Acad Sci USA 1997; 94: Watson D J, Lander A D, Selkoe D J. Heparin-binding properties of the amyloidogenic peptides Abeta and amylin. Dependence on aggregation state and inhibition by Congo red. J Biol Chem 1997; 272: Weidemann A, Paliga K, Durrwang U, ym. Formation of stable complexes between two Alzheimer s disease gene products: presenilin-2 and beta-amyloid precursor protein. Nature Med 1997; 3: Wood S J, Mackenzie L, Maleeff B, Hurle M R, Wetzel R. Selective inhibition of Abeta fibril formation. J Biol Chem 1997; 271: Xia W, Zhang J, Perez R, Koo E H, Selkoe D J. Interaction between amyloid precursor protein and presenilins in mammalian cells: implications for the pathogenesis of Alzheimer disease. Proc Natl Acad Sci USA 1997; 94: Xu H, Gouras G K, Greenfield J P, ym. Estrogen reduces neuronal generation of Alzheimer beta-amyloid peptides. Nature Med 1998; 4: Yan S D, Chen X, Fu J, ym. RAGE and amyloid-β peptide neurotoxicity in AD. Nature 1996; 382: Yan S D, Fu J, Soto C, ym. An intracellular protein that binds amyloid-β peptide and mediates neurotoxicity in Alzheimer s disease. Nature 1997; 389: Zheng H, Jiang M, Trumbauer ME, ym. Beta-amyloid precursor proteindeficient mice show reactive gliosis and decreased locomotor activity. Cell 1995; 81: MARC BAUMANN, dosentti marc.baumann@helsinki.fi Helsingin yliopiston biolääketieteen laitos, lääketieteellisen kemian osasto PL 8, Helsingin yliopisto PENTTI TIENARI, dosentti Helsingin yliopiston neurotieteiden laitos, HYKS:n neurologian klinikka, Haartmaninkatu 4, Helsinki MATTI J. HALTIA, professori Helsingin yliopiston kliinisteoreettinen laitos, (Haartman-instituutti), patologian osasto PL 21, Helsingin yliopisto Aikakauskirjan pyytämä artikkeli Jätetty toimitukselle