Demens på molekylär nivå

Transkript

1 Demens på molekylär nivå Christopher Fowler Professor i farmakologi Hjärnan är en struktur som tar emot, tolkar, lagrar och ger ifrån sig ofantliga mängder av information, både medvetet och omedvetet. Grundbulten består av ett stort antal nerver, som kommunicerar med både omvärlden och varandra. Några av dessa nerver finns schematiskt ritade i bilden till vänster på figur 1. De består av cellkroppar, med var sitt långt utskott som kallas för axon. I slutet av axonet har nerven ett område där kontakt med andra nerver kan ske, via strukturer som kallas synapser (se också rutan på nästa sida). Man kan säga att det ser ut som ett träd, här exemplifierat med eken i mitten. Trädet kan illustrera både nervernas komplexitet och de omfattande förgreningar där kontakt med andra nerver kan ske. Pilarna illustrerar några områden där en sådan kontakt skulle kunna ske. Figur 1. Till vänster en förenklad bild av en nerv som visar cellkroppen, det långa axonet och det område där kontakt med andra nerver sker (vid pilarna). De verkliga nerverna är betydligt mer komplexa med många kontaktpunkter och kan liknas vid en ek (mitten). Vid Alzheimers sjukdom är nerverna skadade i påverkade områden av hjärnan, här symboliserat med den avgrenade eken till höger. Bildbehandling: Philip Fowler. 42

2 Hur många synapser har vi egentligen? Undersökningar har visat att antalet synapser, dvs. kontaktpunkter med andra nerver, i hjärnbarken hos vuxna är ungefär Oftast är det svårt att få grepp om så stora siffror. Men det betyder att om hela världens befolkning fick dela på bara en hjärna, skulle var och en förfoga över ca synapser. Att betrakta hjärnan som ett komplicerat organ är nog att förenkla en aning! 1907 publicerade Alois Alzheimer ett banbrytande arbete om de förändringar i hjärnan som uppdagades vid obduktion av en kvinna som drabbats av den demenssjukdom som senare fick bära hans namn. Tre viktiga förändringar beskrevs: Förlust av nerver i drabbade hjärnregioner, förekomst av neurofibrillära tangles samt förekomst av senila plack. Förlusten av nerver Om man begrundar figur 1 kan man tänka sig att det är ganska viktigt att det här trädet bevaras. Det skulle vara lite sorgligt om det såg ut som till höger på bilden. Trädet finns i och för sig kvar, men de viktiga kontakterna med andra nerver är borta. Det är i princip vad som sker med den alzheimer sjukes hjärna i de drabbade områdena. Sjukdomen påverkar nervöverlevnaden olika i olika delar av hjärnan: det finns t.ex. liten nervförlust i det område i hjärnan som har med synen att göra, medan andra områden t.ex. de som har med vår förståelse av omvärlden att göra, är hårt drabbade; de alzheimersjuka ser som vanligt men de kan ha svårt att förstå vad de ser. Figur 2 visar en nerv som har skadats. Inuti nerven finns ett äggviteämne som heter tau-protein och som har ändrats till följd av sjukdomen. Följden har blivit att proteinet bildar strukturer ( neurofibrillära tangles ) inne i nerverna och därmed effektivt förhindrar att de fungerar som de ska. Det är klart att detta är en komponent vid Alzheimers sjukdom och de forskare som förespråkar att den är viktig brukar skämtsamt kallas Tau-ister! Men dessa förändringar är på intet sätt unika för Alzheimers sjukdom, också vid andra 43

3 demenssjukdomar finns en hög förekomst av neurofibrillära tangles. Ett exempel på detta är boxar-demens, på latin dementia pugilistica. Dessa tangles bildas nämligen varje gång någon får ett kraftigt trauma mot huvudet, exempelvis ett knytnävsslag, vilket man bör tänka på när man diskuterar boxning som idrott. Figur 2. Bilden visar en s.k. neurofibrillär tangle. Nerven är skadad, främst på grund av att ett protein, tau-proteinet, har förändrats. (Foto: Konrad Beyreuther, University of Heidelberg, Tyskland). Senila plack Ett mer specifikt kännetecken för Alzheimers sjukdom är förekomsten av senila plack, se figur 3. Friska äldre människor har senila plack i hjärnan, men inte tillnärmelsevis i samma grad som individer med Alzheimers sjukdom. Om man tittar på innehållet i placken, har det en kärna som är omgärdad med både döende nervceller och andra celler, bl.a. mikroglia som ingår i hjärnans immunförsvar med uppgift att bekämpa inkräktare när den är angripen. Kärnan i mitten av placket har en ganska fin struktur, som ett flimmer, och består av små s.k. beta-amyloidfibriller. De här består av äggviteämnet ß-amyloidpeptid, ß-AP. På grundval av bland annat genetiska undersökningar (se rutan nedan), kan man säga att detta äggviteämne spelar en central roll i utvecklingen av Alzheimers sjukdom. 44

4 Figur 3. Närbild av ett s.k. senilt plack. Det består av en amyloidkärna omringad av döende celler, mikroglia m.m. (Foto: Robert Mrak och Sue Griffin, University of Arkansas for Medical Sciences). Genetiska orsaker till Alzheimers sjukdom En minoritet av alla Alzheimerpatienter har en ärftlig form av sjukdomen, som uppträder tidigt och där förändringar i tre gener ligger bakom. Dessa gener producerar äggviteämnena ß-amyloidprekursorprotein, presenilin 1 och presenilin 2. Följden av dessa förändringar i generna blir en ökad produktion av ß-AP. Även om dessa patienter är i minoritet, har kopplingen mellan ökad produktion av ß-AP och förekomsten av Alzheimers sjukdom hjälpt vår förståelse av sjukdomsprocessen och lagt grunden till nya behandlingsstrategier. Som med Tau-isterna har förespråkare av ß-APs nyckelroll vid utvecklingen av Alzheimers sjukdom döpts om till b-ap-tister! En viktig egenskap hos ß-AP är förmågan att bilda dessa fibriller (s.k. fibrillering), något som man enkelt kan påvisa i ett provrör. Alla individer producerar ß-AP och sedan gäller det för kroppen att bli av med ämnet innan det hinner fibrilleras. Hos friska människor vinns den kampen, hos de dementa förloras den. Den senaste tidens forskning pekar på att det inte är de senila placken i sig som är farliga. Senila plack betraktas numera som slutförvaring snarare än som skadliga komponenter. Det är i stället ett mellanstadium ett ß-AP som har påbörjat sin fibrilleringsprocess som orsakar skador på nerverna. Men det verkar dock inte ensamt utan tillsammans med andra komponenter, bl.a. de immunförsvarsceller som är inblandade i hjärnans inflammationsprocess, s.k. mikroglia. Att det är på det viset kan man verifiera genom att odla celler i en s.k. petriskål. Cellerna får växa till i skålen och bilda strukturer som kommunicerar 45

5 med varandra. Om man sedan sätter till ß-AP som har påbörjat sin fibrilleringsprocess, händer inte mycket med cellerna. De lever obekymrat vidare. Men, om man lägger i mikroglia får man en kombination som inte alls är nyttig. Då degenererar nervcellerna och dör (se rutan nedan). Varför är ß-AP så farlig för celler? Genom åren har en rad mekanismer föreslagits som förklaring till att ß-AP kan ha giftverkan på nervceller. Två viktiga egenskaper är ämnets förmåga (när det har påbörjat sin fibrilleringsprocess) att producera fria radikaler och störa kalciumbalansen i cellen. Fria radikaler är molekyler som innehåller syre men ändå är skadliga. Människans öde är att syremolekylen har två sidor: å ena sidan behövs syret för att vi över huvud taget ska kunna leva, å andra sidan bidrar det till att skadliga ämnen bildas. Vanligen kan vi skydda oss mot dessa skadliga ämnen, men vårt skydd minskar med åren vilket gör oss känsliga för angrepp av de fria radikaler som ß-AP kan åstadkomma. Likadant är det med kalcium. Vår kropp behöver kalcium, och ämnet har en viktig funktion i våra celler, men den måste ske under kontrollerade former. Förmågan hos ß-AP att påverka cellens kalciumhalt (se figur 4) kan därmed inverka menligt på cellöverlevnaden. Figur 4. Exempel på ß-APs skadliga inverkan på kalcium i celler. Vanligen är kalciumhalten strikt kontrollerad på en låg nivå (som illustreras av symbolerna vid nivån 40 nm). Vid pilen har cellerna behandlats med ett fragmet av ß-AP och förändringen i kalciumhalten är uppenbar. (Bilden omarbetad efter Henrietta Hedin från hennes doktorsavhandling vid Umeå universitet, 2000.) 46

6 Hur bildas då ß-AP? Vid en första anblick kan det verka onödigt av kroppen att tillverka en skadlig peptid, men detta är en sanning med modifikation. ß-AP spjälkas ur en större molekyl som heter amyloidprekursorpeptid (ßAPP). Den utspjälkningen är egentligen felaktig, en annan peptid skulle ha blivit följden. Figur 5 illustrerar detta. Här finns en lång rad bokstäver och uppgiften är att snabbt klippa ut ett bra ord. Löneförhöjning är väl ett bra ord? Men på grund av en olycklig slump går det även att klippa ut ordet slö. Så istället för ett bra ord har man fått ett som är negativt laddat. Dessutom är det så illa att utklippningen av slö omöjliggör ett senare bruk av löneförhöjning eftersom de två första bokstäverna då skulle saknas. Situationen är ungefär densamma i kroppen: en lång bokstavssamling beskriver det stora äggviteämnet ß-amyloidprekursorprotein (ß-APP), som finns i många celler. Meningen är att ett mindre äggviteämne, ß-APPs, ska klippas ut. Funktionen hos ß-APPs är inte fullständigt kartlagd, men bl. a. stimulerar det och skyddar nerver. Med andra ord, den korrekta spjälkningen av ß-APP ger upphov till något positivt. Men som i vårt språkliga exempel kan ß-APP klippas fel, och då med resultatet att ß-AP bildas, se figur 6. Figur 5. Två olika ord som var för sig, men inte samtidigt, kan klippas ur en och samma uppsättning bokstäver. Figur 6. Skadligt ß-AP spjälkas från ß-amyloidprekursorprotein (ßAPP) i stället för en löslig och nyttig variant, ßAPPs. Notera att bildandet av dessa varianter är ömsesidigt uteslutande. 47

7 Även om det är en förenkling (ß-AP har några goda egenskaper i låga koncentrationer, men inte när ämnet överproduceras), framgår det att vi behöver rätt balans mellan produktion av den goda ßAPPs och den skadliga ß-AP för vårt välbefinnande. Hos den alzheimersjuke har balansen varit felaktig: man klipper fram alldeles för mycket ßAP och alldeles för lite ßAPP. I förlängningen innebär det att de verktyg som klipper fram ß-AP blir högst intressanta ur ett behandlingsperspektiv, se rutan nedan. Riskfaktorer för Alzheimers sjukdom Nya terapier som angriper ß-AP är dock än så länge en framtidsdröm. Frågan är vad man som individ kan göra nu? Svaret kan ligga i epidemiologiska och molekylärgenetiska studier, som identifierat en mängd faktorer som både kan förbättra och försämra oddsen för att drabbas av Alzheimers sjukdom (se rutan nedan). Dessa undersökningar ger ofta eko i massmedia, där de beskrivs med rubriker som Korsord minskar risken för demens, Sänk blodtrycket slipp Alzheimer eller Feta blir ofta dementa. Min målsättning är inte att Sekretaser som terapeutiskt mål? Man kan ju tänka sig att om nu ß-AP är så otrevligt, varför inte förhindra att det bildas över huvud taget? Då skulle man ju slippa Alzheimers sjukdom. Ett sätt att göra det skulle vara att slå ut de verktyg som klipper fel utan att påverka de verktyg som klipper rätt. Verktygen i fråga är en serie enzymer som går under samlingsnamnet sekretaser. Av dem är ß-sekretas, eller BACE som det numera heter, mycket intressant eftersom det är detta enzym som klipper fel (dvs. mellan bokstäverna Ö och N i vårt ordexempel i figur 4). Andra möjligheter är att försöka förhindra skadeverkningar av den ß-AP som bildas. Dessa möjligheter (se figur 7) och även andra har gett upphov till febril aktivitet världen över, och förhoppningsvis kan det mynna ut i nya behandlingsmetoder i framtiden. Ordet framtiden är dock den springande punkten. Dessa landvinningar torde ligga minst 5-15 år framåt i tiden. 48

8 Figur 7. Strategier för framtida behandling av Alzheimers sjukdom baserade på hypotesen att ß-amyloid är orsaken till sjukdomen. Eftersom BACE orsakar spjälkande av ßAPP på fel plats, är förhoppningen att substanser som förhindrar BACE att fungera kan vara en behandlingsmetod vid Alzheimers sjukdom. Vägen dit är dock lång och krokig. ledsaga bland alla risker men det kan vara på sin plats att nyansera rubriken om korsord, där andemeningen är att man ska se till att ha fritidsintressen som är intellektuellt stimulerande. Det finns en del forskare som talar om en kognitiv reserv, vilket ger bättre förutsättningar att motstå effekterna av den nervförlust som sker vid Alzheimers sjukdom. Vad har vi då för riskfaktorer, vad ökar vår risk att drabbas? Den viktigaste faktorn är hög ålder. Det är ovanligt att få Alzheimers sjukdom före 65 år om det inte ligger i släkten. En annan riskfaktor är att man bär på en gen för ett enzym som heter ApoE4. Beträffande åldrandet kan man bl.a. förklara dess inverkan med att det ger längre tid för ß-AP att ansamlas och utöva sina skadeverkningar. Även det med åldern minskade försvaret mot angrepp från fria syreradikaler har gjort att man är mer känslig för ß-APs skadebenägenhet. 49

9 Vad innebär ökad risk? Utifrån epidemiologiska studier räknar man med att 5-10 % av befolkningen över 65 år drabbas av Alzheimers sjukdom. Låt oss för, att illustrera detta, hitta på en hypotetisk riskfaktor som fördubblar risken att drabbas av Alzheimers sjukdom. Utan denna riskfaktor är risken att drabbas av Alzheimers sjukdom vid 65 års ålder 5 %, men med den är risken 10 %. Om man vänder på siffrorna, är chansen att inte drabbas av Alzheimers sjukdom vid 65 års ålder 95 % utan riskfaktorn och 90 % med riskfaktorn, vilket kan sätta riskfaktorer som exvis ApoE4 (se figur 8) i sitt rätta perspektiv. Naturligtvis är inte oddsen lika goda när man kommer upp i 80-årsåldern men det beror främst på att den viktigaste riskfaktorn för Alzheimers sjukdom är ålder, och den är det svårt att göra någonting åt! Figur 8. En möjlig mekanism som förklarar att ApoE4 kan vara en riskfaktor vid Alzheimers sjukdom. ß-Amyloidpeptid (ßAP) binder till ApoE och kan på så sätt ta sig in i nervcellen. Därinne förflyttas den till ett område som är gynnsamt för amyloidfibrillering. Eftersom ß-amyloidpeptiden binder bättre till ApoE4 än till andra Apo-former transporteras mer av ß-amyloidpeptiden in i cellen. (Bilden adapterad från Puglielli mfl.) 50

10 ApoE4 som riskfaktor är komplicerad och flera förklaringsmodeller har föreslagits. En elegant förklaring, som blandar in ß-AP, kan sammanfattas på följande sätt: efter en god måltid tar magen hand om vad den kan av maten, och det bildas små partiklar som heter lipoproteiner (de hjärtformade symbolerna nertill i figur 8). De består av fett, kolesterol och olika äggviteämnen som gör partikeln igenkänningsbar. Den blir igenkänd av ett annat äggviteämne som heter apolipoprotein E som brukar förkortas till ApoE. Det är halvmånen längst ner i figur 8. ApoE finns i olika skepnader (ApoE2, ApoE3 och ApoE4). Beroende på vad du fick från din mamma och din pappa kan du ha två ApoE2; en ApoE2 och en ApoE3; en ApoE2 och en ApoE4 o.s.v. Alla dessa varianter binder lipoproteiner och detta komplex träffar på en mottagarmolekyl, som gör att allt tas in i nerven och hamnar i ett litet område, som är perfekt anpassat för att kolesterol ska kunna ta sig loss ur lipoproteinet. Det är en naturlig process i kroppen för att ta hand om kolesterol, som i måttliga mängder är absolut nödvändigt för vår överlevnad. Problemet är att det här systemet kan uttnytjas av ß-AP, för detta ämne binder också till ApoE. Därmed tas det upp i nerven tillsammans med lipoproteinet och hamnar i den här speciella miljön som tyvärr är rätt gynnsam också för fibrillering av ß-AP. Med andra ord: transportmedlet ApoE, som vanligen ska ordna en kolesterolleverans till nerven, kan kapas av ß-AP och utnyttjas för att bidra till den skadliga fibrilleringsprocessen. ApoE4 binder ß-AP mycket bättre än ApoE3 och ApoE2. Följden blir att individer som har ApoE4 som en (eller båda) av sina ApoE-proteiner har en bättre förmåga att transportera ß-AP in i nerverna och därmed få en högre produktion av fibrillerad ß-AP. Detta medför en högre risk för att drabbas av Alzheimers sjukdom. Men som framgår av rutan ovan är det viktigt att understryka att även om det innebär en något högre risk att drabbas av Alzheimers sjukdom om man har ApoE4 än om man har ApoE2, är det på intet sätt en säker indikator på att man kommer att drabbas. Åldrandets betydelse för utveckling av denna hemska sjukdom är mycket större. 51

11 Chris Fowler SVERKER OLOFSSON: Chris, jag tror att vi tänker lika allihop: Uppfattade vi dig rätt? Ett aktivt liv när man blir äldre politiskt intresse, böcker, vävning eller vad som helst kan alltså fungera som ett slags bromsmedicin mot Alzheimers? CHRIS FOWLER: Ja. SVERKER OLOFSSON: Så du säger att sitt inte och slöa, ja, gärna framför tv:n, men inte framför nånting annat..? CHRIS FOWLER: Det finns definitivt några program man ska undvika. SVERKER OLOFSSON: Den här medicinen som du pratar om, och vi har ju verkligen alla uppfattat att den ligger långt fram i tiden, men är det alltså sannolikt att det kommer något inom år? CHRIS FOWLER: Det är väldigt svårt att veta. Vad man kan säga när det gäller läkemedel är att oftast ser det till att börja med ut att bli hur bra som helst, tror man, och sedan när läkemedlen når kliniken och patienterna blir det inte som man tänkt. Ett bra exempel i det här fältet är att en firma försökte utveckla ett vaccin mot ß-amyloid som visade sig fungera perfekt på möss. Sedan gick man till kliniken och då visade det sig att 17 av 18 patienter fick svåra inflammatoriska reaktioner. Man kan alltså aldrig säga något med säkerhet, men det finns ett enormt intresse i det här och ju fler läkemedelsbolag som jobbar på det, desto större chans är det att ett av dem lyckas. 52

12 SVERKER OLOFSSON: Finns det bromsmediciner som du kan säga verkligen är effektiva idag, som skjuter sjukdomsförloppet rätt många år framåt? CHRIS FOWLER: Ingenting som uppskjuter någon längre tid. Vad gäller de bromsmediciner som finns idag kan man, med tanke på det där trädet som hade krympt, säga att vad de försöker göra är att förstärka de få signaler som är kvar och på så sätt få bättre kontaktnät. Om jag inte missminner mig blir en tredjedel av patienterna hjälpta av dessa mediciner, och hos dem förskjuts sjukdomen framåt i genomsnitt ungefär ett halvår. SVERKER OLOFSSON: Men kan man säga att det är lättare att göra nånting åt Alzheimers om man så att säga kommer på det i ett tidigt stadium? CHRIS FOWLER: Ja, tidig diagnos är A och O. Därför är det jätteviktigt inte bara att hitta nya mediciner mot Alzheimers utan också att hitta diagnostiska verktyg som gör att man kan hitta sjukdomen mycket tidigare. Jag har för mig att de första symtomen på Alzheimers sjukdom börjar uppträda tio år innan man får slutdiagnos. Jag kan påminna mig en viss president i USA som ungefär fyra år efter att han slutade hade fullt utvecklad alzheimersjukdom. Om man backar tio år, vad gjorde han då? I det fallet tycker jag att en tidig diagnos hade varit ganska bra. 53