Uusia lähestymistapoja aivojen rappeutumistaudien hoidossa Mart Saarma, Biotekniikan Instituutti Helsingin Yliopisto 11.12.2007
Aivotutkimuksen haasteita: aivojen rakenteellinen ja toiminnallinen monimutkaisuus Ihmisaivoissa on arviolta 10 11 hermosolua Aivoissamme on 10 14 hermosolujen välistä kytkentää! Yhdessä kuutiomillimetrissä aivokuorta on useita kilometrejä hermosolujen haarakkeita
Neuronit Vastaanottavat, integroivat ja signaloivat Yhdellä neuronilla voi olla jopa 10,000 kontaktia Aivoissa on 10 11 neuronia; noin 100,000 erilaista neuronia Neuronit käyttävät kemikaalisia ja sähköisiä signaaleja Neuronit voivat muunnella signaaleja Muisti ja oppiminen perustuvat todennäköisesti aivojen kykyyn muunnella neuronien signaaleja ja synapsien rakennetta
Yksilönkehityksessä neuronit muodostavat verkostoja jotka ovat pysyviä ja joita muokataan uudelleen Neuron 1 Neuron 2 Neuron 1 fires to Neuron 2 Neuron 2 fires to Neuron 3 Neuron 4 fires to Neuron 1 Rivera et al. Saarma, Kaila, Nature, 1999 Neuron 3 fires to Neuron 4
Hermokasvutekijät pelastavat neuronit, jotka saavuttavat kohteen ensimmäisenä
Neurodegeneratiiviset sairaudet ovat vakava ongelma neuronit kuolevat Noin 2-4% väestöstä kärsii Ongelma pahenee väestön ikääntymisen myötä Asiantuntijat ennustavat, että 25-30 vuoden päästä 10 % väestöstä saattaa kärsiä neurogeneratiivisista sairauksista Useimmissa tapauksissa (dementia, Alzheimer, Parkinson jne.) meiltä puuttuu tehokas hoito, joka pysäyttää neuronien rappeutumisen
Hermokasvutekijät Säätelevät migraatiota, erilaistumista ja hermosäikeiden kasvua Edistävät eloonjäämistä, kontrolloivat neuronien lukumäärää ja hermotuksen tiheyttä: perusta terapeuttiselle käytölle erityisesti neurodegeneratiivisissa sairauksissa Säätelevät plastisuutta ja uudistumista aikuisilla
Hermokasvutekijät signaloivat soluihin reseptoriensa kautta A NGF NT-3 BDNF NT-4 p75 TrkA TrkC TrkB B C GDNF NTN CNTF LIF CNTFR GFR GFR gp130 LIFR gp130 LIFR Ret Meng et al. Saarma, Sariola, Science 2000
GDNF-perheen ligandi-reseptori interaktiot Trupp et al., Saarma, Nature 1996 Airaksinen & Saarma 2002 Nature Rev. Neurosci.
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.
Vaiheet Parkinsonin taudin vastaan taistelussa Vaihe Periaate Hoitokeino Vaatii syy- yhteyksien ymmärt rtämistä 1 Hävinneiden trans- mittereiden korvaus 2 Tuhoutuneiden neuronien korvaus 3 Vahigoittuneiden neuronien pelasta- minen 4 Taudin kehityksen esto L-dopa muut lääkkeet solusiirrot Hermokasvu- tekijän kuljetus
GDNF on proteiini annosteltava suoraan aivoihin akuutisti injektiona / infuusiona krooninen infuusio muokatut solut geeninsiirto annostelu Caudate Putameniin saa aikaan dopamiinisolujen haarautumista sprouting
Miten geeniterapiaa voidaan käyttää GDNF:n tai NRTN:n kuljettamisessa Parkinsonin tauti-potilaan aivoihin? Viral vectors Naked cells Encapsulated cells Pump Courtesy of Patrick Aebischer
Kliininen koe I vuonna1998: Intraventrikulaarinen GDNF:n insfuusio (Nutt et al. 2003) 50 potilasta; blacepo (n=12), vaihtelevat annokset GDNF:ää (25-4 000 mikrogrammaa) satunnaistettu, kaksoissokko (8 kuukautta), avoin 20 kuukauteen saakka ei parannusta UPDRS motor score:ssa Haittavaikutukset yleisiä: esim. harhatuntemukset, pahoinvointi, laihtuminen GDNF ei saavuttanut putamenia eikä substantia nigraa
Pumppujen implantaatio GDNF:n jatkuva infuusio 14-40 mikrogrammaa/päivä Minipumppu asennettiin ihon alle. Ohut putki laitettiin ihon alle ja yhdistettin putamenissa sijaitsevaan kateteriin. Pumput kytkettiin päälle ja GDNF:ää ruiskutettiin suoraan aivoihin. Gill et al, Nature Medicine, 2003
Kliininen koe II: GDNF:n Aivojensisäinen infuusio (Gill et al. 2003) 5 potilasta, avoin tutkimus uni- ja bilateraali putamensissa; vähäiset sivuvaikutukset UPDRS totaali -48%, UPDRS motor -39% 2 v PET-FD ulosotto +28% katetrin kärjestä Dopamiinin vapautumisen stimulointi? Neuronien suojaus? Hermosäikeiden kasvaminen?
Kliininen koe III: GDNF:n aivojensisäinen infuusio (Amgen-tutkimus; julkaisematon) 34 potilasta; GDNF:n kuljetus (n=17), (15 mikrogrammaa/päivää) kumpaankin putameniin; satunnaistettu, kaksoissokko 6 kuukautta ei oireellista parannusta placeboon verrattuna PET-FD:n oton lisäys katetrin kärjestä GDNF:n vasta-aineiden neutralointi kahdella potilaalla (5/49 kaikista tapauksista), vasta-aineiden lyhytaikainen sitominen tai muuttuminen neutraloiviksi
Muita lähestymistapoja Uusia hermokasvutekijöitä Pieniä molekyylejä, jotka matkivat hermokasvutekijöitä Uusia kuljetusmetodeja Tekijöitä ja molekyylejä, jotka indusoivat hermokasvutekijöiden endogeenistä synteesiä Soluterapia Kantasolut
Nisäkkäiden CDNF & MANF proteiinit ovat säilyneet evoluutiossa ja muodostavat uuden kasvutekijöiden perheen C Mature protein Human MANF Pre 179 21 158 Human CDNF Pre 187 26 161 Lindholm et al. Saarma, Nature, 2007
CDNF ruiskutetaan striatumiin 6 tuntia ennen 6-OHDA:aa Striatum Modified from: Kirik et al., Nature Neuroscience; 7, 105-110, 2004
6-OHDA vaurion kehitys Björklund et al., Neurobiology of Disease 4; 186-200, 1997
CDNF suojelee dopaminergisiä neuroneja rotan 6-OHDA mallissa A B C TH- stained striatal sections. A, vehicle and 6-OHDA-treated rat B, GDNF (10 µg) and 6-OHDA treated rat C, CDNF (10 µg)+ 6-OHDA-treated rat. 6-OHDA lesion is on the left side
CDNF stimuloi säikeiden kasvua striatumin dopamiini- neuroneissa 6-OHDA neuroprotektiokokeessa 100 Density of striatal TH-IR fibers (% of control side) 75 50 25 *** *** 0 Lindholm et al. Saarma, 2007, Nature
Korjaako GDNF nigrostriatalin dopaminergistä systemiä?
CDNF:llä on neurorestoratiivistä vaikutusta STUDIES OF NEURORESTORATION Cumulative Ipsilateral rotations / 120 min 1000 750 500 250 * 6-OHDA + VEH 6-OHDA + GDNF 6-OHDA + CDNF 0-2 0 2 4 6 8 10 Week At 8 weeks postlesion * P<0,05 in comparison with control group (6-OHDA + VEH) (one way ANOVA) Lindholm et al. Saarma, 2007, Nature
CDNF pelastaa dopaminergisiä neuroneja 6- OHDA-neurorestoratiivikokeessa T H -p o s itiv e c e lls in SN pc (% of control ) 125 100 75 50 25 VEH GDNF CDNF 0
Johtopäätöksiä CDNF on evoluutiossa säilynyt proteiini, joka yhdessä MANF:n kanssa muodostaa uudenlaisen hermokasvutekijäperheen CDNF on eniten tunnettu CNS-spesifinen hermokasvutekijä, jolla ei käytännöllisesti katsoen ole vaikutusta PNS-neuroneihin CDNF suojaa dopaminergisiä neuroneja 6-OHDA vauriota vastaan in vivo mahdollisesti paremmin kuin mikään muu tunnettu proteiini CDNF:llä on neurorestoratiivisiä vaikutksia in vivo ja CDNF korjaa dopaminergistä systeemiä nigrostriatalissa