Proteinklumpar i nervsystemet en mekanism bakom flera sjukdomar

Transkript

1 Proteinklumpar i nervsystemet en mekanism bakom flera sjukdomar Ludmilla Morozova-Roche Forskare Inst. för medicinsk kemi och biofysik Jag ska berätta om ett fenomen på molekylär nivå som ligger bakom flera sjukdomar. Figur 1 visar några typer av felveckning hos proteiner. De kallas amyloidstrukturer och kan bildas av flera olika proteiner, till exempel lysozym, som består av både alfa-helix- och beta-flakstrukturer, myoglobin, som bara består av alfa-helix, och mikroglobulin, som bara består av beta-flak. Alla är Figur 1. Felveckning av proteiner på molekylnivå är en mekanism som ligger bakom flera olika sjukdomar. 34

2 vanliga proteiner med viktiga funktioner i kroppen, men när de formar amyloidklumpar omvandlas de till skadliga molekylkedjor, fibriller. Vid B i Figur 1 visas amyloidfibrillerna i ett så kallat atomkraftsmikroskop (Atomic Force Microscope AFM). Det syns att de är mycket långa och de är också mycket stabila. Vid C framgår strukturen hos amyloidfibrillerna genom elektronmikroskopbilder på starkt nedkylda proteiner. Alla de här har en beta-flakstruktur. Omvandlingen av ett normalt protein till fibriller av just beta-flak är den viktigaste orsaken till amyloidsjukdomar. Det faktum att proteiner kan bilda amyloider på olika platser i kroppen kännetecknar bland annat Alzheimers sjukdom, Parkinsons sjukdom och diabetes. Vid sådana sjukdomar förvandlas normalt lösliga proteiner och peptider till olösliga, sjukdomsframkallande fibriller. Figur 2 listar flera av dem. Figur 2. Exempel på sjukdomar som orsakas genom olika slag av amyloidbildning. 35

3 Bland amyloidsjukdomarna är Alzheimers sjukdom den vanligaste orsaken till demens och progressiv förstörelse av nervceller hos äldre. Sjukdomen är uppkallad efter den tyske neuropatologen och psykiatern Alois Alzheimer. Antalet patienter som insjuknar i Alzheimer ökar dramatiskt med åldern. Alzheimers sjukdom är en form av demens, men inte detsamma som demens ett begrepp som omfattar många andra sjukdomar. I Sverige finns ungefär personer med demens, varav cirka har Alzheimer. Ungefär insjuknar i Alzheimer varje år. Sjukdomen kännetecknas av utfällningar i hjärnan av Ab-peptidamyloid, se Figur 3. Utfällningarna kan kopplas till förlust av normala funktioner i hjärnan. I figuren syns två Ab-peptider som binder till varandra i en amyloidstruktur som växer till fibriller och gradvis framkallar klumpar, senila plack, i hjärnbarken hos patienten. Amyloiderna är giftiga och orsakar nervcellsdöd i framför allt de hjärnområden som ansvarar för minne och motoriska funktioner. Fler och fler nervceller dör medan sjukdomen fortlöper. Det resulterar i att patienten utvecklar en demens som efterhand blir allt svårare. Atomkraftmikroskopet kan visa väldigt små strukturer, i storleksordningen 1 nanometer (nm, miljarddels meter) eller mindre. I vår forskning använder vi det tillsammans med en uppsättning biofysiska och biokemiska metoder för att kartlägga amyloidformationerna. Om vi kan beskriva och förstå Figur 3. Senila plack i hjärnvävnaden hos en Alzheimerpatient, till vänster visas amyloiden i större förstoring. 36

4 Figur 4. Amyloider av Ab-peptid sedd i atomkraftmikroskop, t.v., och via röntgendiffraktion. deras strukturer kan vi också förstå orsakerna till de sjukdomar de orsakar. Exempelvis förvandlas Ab-peptid till en mycket regelbunden fibrill som kan ses i atomkraftmikroskopet som i Figur 4. Den enskilda fibrillen är 2 4 nanometer tjock. Röntgendiffraktion av fibrillerna visar dimensionerna av betaflak som avståndet mellan slingor och flak i fibrillen. Andra exempel som vi studerar är amyloider från prostatakörteln. De uppkommer hos medelålders män och kan utgöra upp till en tredjedel av prostatans vikt. Amyloidklumparna kallas corpora amylacea. Vi har lyckats visa att de består av förkalkade amyloidfibriller. Figur 5 visar fibriller från en prostatakörtel som har opererats bort. Fibrillerna består av inflammatoriska proteiner. Inlagring av kalcium gör dem mer stabila. Det är amyloider som vi själva har kunnat producera in vitro, dvs. i lösning. De är mycket tjockare än Ab-peptidfibrillerna vid alzheimers sjukdom. I prostata råder en ogästvänlig miljö med mycket nedbrytande ämnen, proteaser, jämfört med förhållandena i hjärnan. 37

5 Figur 5. Amyloidfibriller och amyloidklumpar från prostatakörteln, bestående av inflammatoriska proteiner. Nya medel på väg Vad kan vi då göra åt amyloidsjukdomarna? Ännu har vi inte hittat någon direkt behandling; hittills har det bara varit möjligt att angripa symtomen. Effekten av läkemedel och andra faktorer på amyloider undersöks intensivt och många nya läkemedel kommer numera ut på marknaden varje år. Figur 6 Figur 6. Noopept är ett nytt läkemedel mot amyloidbildningar i hjärnan. Tabletten innehåller en kort, löslig dipeptid. 38

6 illustrerar Noopept, en kort löslig dipeptid. Vi har själva hos möss med alzheimers sjukdom kunna visa att det här medlet rehabiliterar minnet och förstärker kroppens immunreaktion mot amyloider. Noopept kan också bryta ner b-flak och det är en viktig effekt på amyloidstrukturen. Vårt mål är att förhindra och vända på amyloidbildningarna. Vi hoppas att Noopept kan hjälpa oss på vägen dit. Andra viktiga frågeställningar är amyloidernas funktionella egenskaper, till exempel deras giftverkan vars molekylära och cellulära mekanismer vi studerar. Det innebär att vi identifierar de giftiga amyloidtyperna och försöker avgöra hur de orsakar skador och celldöd. I atomkraftmikroskopet har vi visat att det finns flera sätt på vilka amyloida ansamlingar utvecklas, se Figur 7. Mindre ansamlingar av peptider eller proteiner kallas lösliga amyloida oligomerer. De omvandlas till stora ansamlingar och bildar slutligen amyloida fibriller. Vi fokuserar nu på olika amyloida ansamlingar för att bestämma hur de orsakar cellskada och celldöd. Celler som behandlas med amyloid får sämre överlevnad och fler amyloidstrukturer orsakar mer celldöd. Figur 7. Amyloidansmalingarna kan bildas på flera olika sätt. 39

7 ] Vi studerar effekten av amyloida substanser på cellmembran och andra strukturer i cellerna med atomkraftmikroskop och fluorescensmärkning av amyloider. Vi vet att amyloider kan göra hål, porer, i cellmembranen. Vi har också visat att oligomerer leder till programmerad celldöd apoptos hos nervceller. Stora ansamlingar av amyloida fibriller orsakar däremot celldöd via cellens nekrosmekanism. Skillnaden illustreras i Figur 8. Båda strukturerna är alltså giftiga, men det faktum att de utlöser olika celldödsmekanismer innebär att vi behöver använda olika strategier för att motverka celldöd beroende på vilken typ av amyloid som har bildats. Figur 8. Två skilda typer av celldöd på grund av amyloider. Vid apoptos (oligomerkolumnen i mitten) krymper cellen samman medan den vid nekros (fibrill-kolumnen t.h.) dör genom upplösning av cellmembranen. Opåverkade celler visas i kontrollkolumnen t.v.; tiden i timmar markeras i vänsterkanten. Det finns ett stort behov av bättre diagnostiska markörer för att kunna upptäckta alzheimer och parkinson tidigare. Ett sådant sätt är att mäta den autoimmuna reaktionen i blodserum hos patienter. Det är en metod som inte kräver ingrepp i kroppen och kan användas för att spåra den nedbrytning av nervceller som pågår vid dessa sjukdomar. Serumantikroppsnivån hos de undersökta jämförs då med nivån hos åldersmatchade friska personer. 40

8 Vi har mätt antikroppsnivån i blodserum hos Alzheimerpatienter med olika demensgrad och sjukdomstid. Det framgick då att både vid kort och vid lång sjukdomstid har patienter med hög serumantikroppsnivå mot Ab-amyloid mindre utvecklad demens. Vaccinering med Ab eller Ab-antikroppar är tänkbara metoder för att stimulera immunförsvaret mot amyloider. Tidigare har man försökt utveckla ett aktivt vaccin, men vid kliniska försök visade det sig att vissa försökspersoner fick hjärninflammation och försöken måste därför avbrytas. Vårt förslag är att vaccinering först ska kunna ges efter en mätning som visar att det verkligen finns en autoimmun reaktion i blodserum hos patienterna. Amyloiden av ]-synuklein är nervskadande och orsakar nervcellsdöd vid Parkinsons sjukdom. Vid denna sjukdom dör de nervceller som frisätter dopamin, och den processen kan som vi tidigare hörde starta upptill fem år innan symtomen börjar visa sig. Ungefär % av nervcellerna kan ha dött innan de kliniska tecknen på sjukdomen blir uppenbara. Det är alltså mycket angeläget att hitta markörer som kan identifieras redan när sjukdomen börjar och helst innan symtomen visar sig. Då skulle det bli möjligt att tillföra nervskyddande mediciner innan sjukdomsprocessen har dödat fler nervceller. Vi har mätt nivån av antikroppar mot ]-synuklein hos parkinsonpatienter och visat att denna immunreaktion är specifik för just personer med parkinsons sjukdom. Den kan därmed användas för en tidig diagnos av sjukdomen. Till slut något extra tillverkning av silvernanoledningar med hjälp av amyloid. Vi vet ju att amyloider är av rätt skala för nanoteknologi. Därför kan vi förvandla något skadligt till något bra, närmare bestämt tillverka nanoledningar i silver. Vi använder då det reducerande ämnet TFE som har visat sig hjälpa amyloid att gå samman i tjocka buntar som ett slags byggnadsställningar. Oxiderat silver kan sedan omvandlas till metalliskt silver i ihåliga delar av byggnadsställningen. När vi sedan avlägsnar amyloiderna med hjälp av proteaser får vi silvernanoledningar med en diameter på 1 2 nm. Det är tio gånger tunnare ledningstråd, jämfört med andra metoder för nanobioteknologisk tillverkning. Exempelvis kan det betyda tio gånger så mycket datakraft med samma processorstorlek. 41