NERVTILLVÄXTFAKTORERNAS OCH GLIACELLERNAS ROLL I PARKINSONS SJUKDOM

Transkript

1 NERVTILLVÄXTFAKTORERNAS OCH GLIACELLERNAS ROLL I PARKINSONS SJUKDOM Sabina Nordström Helsingfors Universitet Farmaceutiska fakulteten Avdelningen för farmakologi och toxikologi Januari 2010

2 ii INNEHÅLLSFÖRTECKNING I LITTERATURDEL 1 INTRODUKTION ETIOLOGI I PARKINSONS SJUKDOM Genetiska faktorer Miljöfaktorer KLASSIFICERING OCH FASER I PARKINSONS SJUKDOM PATOGENES I PARKINSONS SJUKDOM Oxidativ stress och mitokondriell dysfunktion Felveckning och aggregation av proteiner Neuroinflammation Excitotoxicitet Apoptos Förlust av nervtillväxtfaktorer GLIAFUNKTIONER I PARKINSONS SJUKDOM Mikroglia Aktiverad mikroglia Cytokiner Fria radikaler Dubbel roll Astrocyter och oligodendrocyter NERVTILLVÄXTFAKTORER I PARKINSONS SJUKDOM Nervtillväxtfaktorernas funktion Administering av nervtillväxtfaktorer GDNF-familjens nervtillväxtfaktorer Glia-cell deriverad nervtillväxtfaktor Neurturin Artemin Persefin Neurotrofin-familjens nervtillväxtfaktorer Nervtillväxtfaktor Hjärn-deriverad nervtillväxtfaktor Neurotrofin Neurotrofin-4/ MANF-familjens nervtillväxtfaktorer Mesenkefalisk astrocyt-deriverad nervtillväxtfaktor... 28

3 iii Cerebral dopaminnervtillväxtfaktor Andra nervtillväxtfaktorer Transformerande tillväxtfaktor-α Insulin-liknande tillväxtfaktor NEUROPROTEKTIVA ELLER -RESTORATIVA STRATEGIER Läkemedelsterapi Levodopa Dopaminagonister Katekol-O-metyltransferas-hämmare Monoaminoxidas-hämmare Antioxidanter Anti-apoptotiska ämnen Nervtillväxtfaktorer som läkemedel Cellterapi Genterapi Stamceller Rekombinanta virus SAMMANFATTNING II EXPERIMENTELL DEL 1 INTRODUKTION Nervtillväxtfaktorer Djurmodeller med toxin för Parkinsons sjukdom hydroxidopamin Ändamålet med forskningen MATERIAL OCH METODER Använda föreningar och lösningar Framställning av använda lösningar Djur Framställning av gliacellskulturen Framställning av nervcellskulturen Färgning med trypanblått och beräkning av levande celler med hemacytometer Cellkulturens exponering Exponering med 6-OHDA i sex timmar Exponering med nervtillväxtfaktorer i tre dagar Bestämningsmetoder Bestämning av cellens [ 3 H]-dopaminupptagning Immunocytokemisk tyrosinhydroxylasfärgning (TH-färgning)... 61

4 iv 3 RESULTAT Cellens dopaminupptagning efter exponering med 6-OHDA och nervtillväxtfaktorer Cellens dopaminupptagning efter exponering med endast nervtillväxtfaktorer Immunocytokemisk tyrosinhydroxylasfärgning (TH-färgning) BEHANDLING AV RESULTAT Cellens dopaminupptagning efter exponering med 6-OHDA och nervtillväxtfaktorer Immunocytokemisk tyrosinhydroxylasfärgning (TH-färgning) DISKUSSION SAMMANFATTNING LITTERATURFÖRTECKNING BILAGOR BILAGA 1. Sammansättning av Neurobasal -medium BILAGA 2. Sammansättning av Supplement B27, 1 x PBS (fosfatbuffrad koksaltlösning) och Tyroden-lösning (Ca-Mg-fri) BILAGA 3. Sammansättning av MEM ph 7,2

5 v FÖRKORTNINGAR 6-OHDA 6-hydroxidopamin ABC Avidin-biotin-komplex ARTN Artemin BDNF Hjärn-deriverad nervtillväxtfaktor bfgf Vanlig fibroblastnervtillväxtfaktor BHB Blod-hjärnbarriären BSA Bovint serumalbumin CDNF Cerebral dopaminnervtillväxtfaktor CNS Centrala nervsystemet COMT Katekol-O-metyltransferas DAB Diaminobenzidin DAT Dopamintransporter ERK Extracellulärt reglerat kinas ESC Stamceller från embryo FBS Fetalt bovint serum FVM Fetal ventral mesencefalon GABA Gamma-aminobutyratsyra GDNF Gliacell-deriverad nervtillväxtfaktor GFL GDNF-familjens ligander GFR GDNF-familjens receptorer IGF Insulin-liknande tillväxtfaktor ips Pluripotenta stamceller JNK c-jun-n-terminal kinas LRRK2 Leucinrik repetitiv kinas 2 MANF Mesenkefalisk astrocyt-deriverad nervtillväxtfaktor MAO Monoaminoxidas MAP Mitogen-aktiverad rutt MEM Minimum essential medium MPTP 1-metyl-4-fenyl-1,2,3,4-tetrahydropyridin NHS Normalt hästserum

6 vi NGF Nervtillväxtfaktor NMDA N-metyl-D-aspartatsyra NRTN Neurturin NSAID Non-steroidala anti-inflammatoriska mediciner PBS Fosfatbuffrad koksaltlösning PFA Paraformaldehyd PS Parkinsons sjukdom PSPN Persefin ROS Reaktiva syreföreningar SNpc Substantia nigra pars compacta TGF- Transformerande tillväxtfaktor TH Tyrosinhydroxylas TK Tyrosinkinas Trk Tropomyosin-relaterad kinas TNF Tumörnekrosfaktor UCH-L1 Ubiquitin C-terminal hydrolas ligas 1 UPDRS Klassificeringskala för Parkinsons sjukdom UPS Ubiquitin-proteasomsystem

7 vii I LITTERATURDEL: NERVTILLVÄXTFAKTORERNAS OCH GLIACELLERNAS ROLL I PARKINSONS SJUKDOM

8 1 1 INTRODUKTION Parkinsons sjukdom (PS) beskrevs för första gången av den brittiske läkaren James Parkinson år 1817 i boken An Essay on the Shaking Palsy (Parkinson, 1817). PS är en kronisk progressiv neurologisk sjukdom som kännetecknas av muskelstelhet (rigiditet), minskad rörelseförmåga (hypokinesi), skakningar (tremor) och långsamma kroppsrörelser (bradykinesi). Därtill uppkommer en mängd icke-motoriska symptom, såsom nedsatt luktsinne (anosmi), sömnproblem, psykiska och kognitiva problem samt störningar i det autonoma nervsystemet (Olanow et al., 2009b). De icke-motoriska symptomen kan till och med ha större effekt på kroppens funktion och livskvaliteten än de motoriska symptomen (Hely et al., 2005). Depression samt demens förekommer hos åtminstone % av Parkinson patienterna (Adler, 2005; Emre, 2003). Vissa ickemotoriska symptom (förstoppning, anosmi, smärta, depression) kan uppstå flera år före de motoriska symptomen. Detta är viktiga prekliniska tecken på PS och i framtiden ger det nya möjligheter att identifiera det premotoriska skedet ifall neuroprotektiva läkemedelsterapier finns att tillgå. Orsaken till symptomen i PS är förlust av dopaminerga nervceller i substantia nigra, svarta kärnan, som är en del av de basala ganglierna. De kvarvarande nervcellerna innehåller ofta så kallade Lewykroppar, som är inlagringar av bland annat proteinet alfasynuklein. Skadorna i substantia nigra drabbar den dopaminerga signalöverföringen till neostriatum, strimmiga kärnsystemet (putamen, skalkärnan och nucleus caudatus, svanskärnan). Till följd av celldegenereringen uppstår brist på dopamin i hjärnan. Katekolaminen dopamin är ett neurotransmittorämne för anatomiskt och funktionellt särskilda neuronala grupper i det centrala nervsystemet. Den största gruppen dopaminerga neuron finns i den ventrala mitthjärnan, mesencefalon (Prakash och Wurst, 2006). De här neuronerna bildar två större områden, substantia nigra pars compacta (SNpc) samt det ventrala tegmentala området. Cellkropparna i SNpc riktar sina axoner till dorsala striatum (caudate nucleus och putamen), vilket utgör den nigrostriatala rutten som är viktig i kontrollen av frivilliga rörelser.

9 87 Salvatore MF, Ai Y, Fischer B, Zhang AM, Grondin RC, Zhang Z, Gerhardt GA, Gash DM: Point source concentration of GDNF may explain failure of phase II clinical trial. Exp Neurol 202: , 2006 Sariola H och Saarma M: Novel functions and signalling pathways for GDNF. J Cell Sci 116: , 2003 Schapira AHV, Cooper JM, Dexter D, Clark JB, Jenner P, Marsden CD: Mitochondrial complex I deficiency in Parkinson s disease. J Neurochem 54: , 1990 Seroogy KB, Lundgren KH, Lee DC, Guthrie KM, Gall CM: Cellular localization of transforming growth factor-α mrna in rat forebrain. J Neurochem 60: , 1993 Shimura H, Schlossmacher MG, Hattori N, Frosch MP, Trockenbacher A, Schneider R, Mizuno Y, Kosik KS, Selkoe DJ: Ubiquination of a new form of alpha-synuclein by parkin from human brain: Implications for Parkinson s disease. Science 293: , 2001 Sian J, Dexter DT, Lees AJ, Daniels S, Agid Y, Javoy-Agid F, Jenner P, Marsden CD: Alterations in glutathione levels in Parkinson s disease and other neurodegenerative disorders affecting basal ganglia. Ann Neurol 36: , 1994 Slevin JT, Gerhardt GA, Smith CD, Gash DM, Kryscio R, Young B: Improvement of bilateral motor functions in patients with Parkinson disease through the unilateral intraputaminal infusion of glial cell line-derived neurotrophic factor. J Neurosurg 102: , 2005 Slevin JT, Gash DM, Smith CD, Gerhardt GA, Kryscio R, Chebrolu H, Walton A, Wagner R, Young AB: Unilateral intraputamenal glial cell line-derived neurotrophic factor in patients with Parkinson disease: Response to 1 year of treatment and 1 year of withdrawal. J Neurosurg 106: , 2007 Sortwell CE: Strategies for the augmentation of grafted dopamine neuron survival. Front Biosci 8: , 2003 Stone CA, Stavorski JM, Ludden CT, Wengler HC, Ross CA, Totaro JA, Porter CC: Comparison of the some pharmacological effects of certain 6-substituted dopamine derivatives with the reserpine guanethidine and metaraminol. J Pharmacol Exp Ther 142: , 1963 Studer L, Spenger C, Seiler RW, Altar A, Lindsay RM, Hyman C: Comparison of the effects of the neurotrophins on the morphological structure of dopaminergic neurons in cultures of rat substantia nigra. Eur J Neurosci 7: , Sulzer D: Sulzer lab - Postnatal ventral midbrain dopamine neuronal culture protocols Version 4.1, 2008

10 88 Tanaka Y, Engelender S, Igarashi S, Rao RK, Wanner T, Tanzi RE, Sawa A, Dawson VL, Dawson TM, Ross CA: Inducible expression of mutant alpha-synuclein decreases proteasome activity and increases sensitivity to mitochondria-dependent apoptosis. Hum Mol Genet 10: , 2001 Teismann P, Tieu K, Choi DK, Wu DC, Naini A, Hunot S, Vila M, Jackson-Lewis V, Przedborski S: Cyclooxygenase-2 is instrumental in Parkinson s disease neurodegeneration. Porc Natl Acad Sci USA 100: , 2003 The NINDS NET-PD Investigators: A randomized, double-blind, futility, clinical trial of creatine and minocycline in early Parkinson disease. Neurol 66: , 2006 The Parkinson Study Group PRECEPT Investigators: Mixed lineage kinase inhibitor CEP-1347 fails to delay disability in early Parkinson disease. Neurol 69: , 2007 Thomas B och Beal MF: Parkinson s disease. Hum Mol Genet 16: R183-R194, 2007 Thomson JA, Itskovitz-Eldor J, Shapiro SS, Waknitz MA, Swiergiel JJ, Marshall VS, Jones JM: Embryonic stem cell lines derived from human blastocysts. Science 282: , 1998 Tofari GK, Layfield R, Spillantini MG: Alpha-synuclein metabolism and aggregation is linked to ubiquitin-independent degradation by the proteasome. FEBS Lett 509: 22-26, 2001 Tokugawa K, Yamamoto K, Nishiguchi M, Sekine T, Sakai M, Ueki T, Chaki S, Okuyama S: XIB4035, a novel nonpeptidyl small molecule agonist for GFRα-1. Neurochem Int 42: 81-86, 2003 Tomac A, Lindqvist E, Lin LF, Ogren SO, Young D, Hoffer BJ, Olson L: Protection and repair of the nigrostriatal dopaminergic system by GDNF in vivo. Nature 373: , 1995 Tranzer JP, Thoenen H: Electronmicroscopic localization of 5-hydroxydopamine (3,4,5- trihydroxy-phenyl-ethylamine), a new false sympathetic neurotransmitter. Experientia 23: , 1967 Tranzer JP, Thoenen H: An electron microscopic study of selective acute degeneration of sympathetic nerve terminals after administration of 6-hydroxydopamine. Experientia 24: , 1968 Treanor JJS, Goodman L, De Sauvage F, Stone DM, Poulsen KT, Beck CD, Gray C, Armanini MP, Pollock RA, Hefti F, Phillips HS, Goddard A, Moore MW, Buj-Bello A, Davies AM, Asai N, Takahashi M, Vandlen R, Henderson CE, Rosenthal A: Characterization of a multicomponent receptor for GDNF. Nature 382: 80-83, 1996

11 89 van der Vliet A, Eiserich JP, Halliwell B, Cross CE. Formation of reactive nitrogen species during peroxidase-catalyzed oxidation of nitrite. A potential additional mechanism of nitric oxide-dependent toxicity. J Biol Chem 272: , 1997 Vane JR, Bakhle YS, Botting RM: Cyclooxygenases 1 and 2. Annu Rev Pharmacol Toxicol 38: , 2000 Vila M, Jackson-Lewis V, Guegan C, Wu D, Teismann P, Choi DK, Tieu K, Przedborski S: The role of glial cells in Parkinson s disease. Curr Opin Neurol 14: , 2001 Von Coelln R, Kügler S, Bähr M, Weller M, Dichgans J, Schulz JB: Rescue from death but not from functional impairment: Caspase inhibition protects dopaminergic cells against 6-hydroxydopamine-induced apoptosis but not against the loss of their terminals. J Neurochem 77: , 2001 Voutilainen MH, Bäck S, Pörsti E, Toppinen L, Lindgren L, Lindholm P, Peränen J, Saarma M, Tuominen RK: Mesencephalic astrocyte-derived neurotrophic factor is neurorestorative in rat model of Parkinson s disease. J Neurosci 29 (30): , 2009 Wakabayashi K, Hayashi S, Yoshimoto M, Kudo H, Takahashi H. NACP/ -synucleinpositive filamentous inclusions in astrocytes and oligodendrocytes of Parkinson s disease brains. Acta Neuropathol 99: 14-20, 2000 Whone AL, Watts RL, Stoessl AJ, Davis M, Reske S, Nahmias C, Lang AE, Rascol O, Ribeiro MJ, Remy P, Poewe WH, Hauser RA, Brooks DJ; REAL-PET Study Group: Slower progression of Parkinson s disease with ropinirole versus levodopa: The REAL- PET study. Ann Neurol 54: , 2003 Widmer HR, Knusel B, Hefti F: Stimulation of phosphatidylinositol hydrolysis by brain-derived neurotrophic factor and neurotrophin-3 in rat cerebral cortical neurons developing in culture. J Neurochem 59: , 1992 Wijeyekoon R och Barker RA: Cell replacement therapy for Parkinson s disease. Biochim Biophys Acta 1792: , 2009 Wilkin GP och Knott C: Glia: A curtain raiser. Adv Neurol 80: 3-7, 1999 Wolozin B, Wang SW, Li NC, Lee A, Lee TA, Kazis LE: Simvastatin is associated with a reduced incidence of dementia and Parkinson s disease. BMC Medicine 5: 1-11, 1997 Wu DC, Teismann P, Tieu K, Vila M, Jackson-Lewis V, Ischiropoulos H, Przedborski S: NADPH oxidase mediates oxidative stress in the 1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6- tetrahydropyridine model of Parkinson s disease. Proc Natl Acad Sci USA 100: , 2003

12 90 Yacoubian TA och Standaert DG: Targets for neuroprotection in Parkinson s disease. Biochim Biophys Acta 1792: , 2009 Yasuhara T, Matsukawa N, Hara K, Yu G, Xu L, Maki M, Kim SU, Borlongan CV: Transplantation of human neural stem cells exerts neuroprotection in a rat model of Parkinson s disease. J Neurosci 26: , 2006 Yavich L, Tanila H, Vepsäläinen S, Jäkälä P: Role of alpha-synuclein in presynaptic dopamine recruitment. J Neurosci 24: , 2004 Zhang W, Wang T, Pei Z, Miller DS, Wu X, Block ML, Wilson B, Zhang W, Zhou Y, Hong JS, Zhang J: Aggregated alpha-synuclein activates microglia: A process leading to disease progression in Parkinson s disease. FASEB J 19: , 2005 Zihlmann KB, Ducray AD, Schaller B, Huber AW, Krebs SH, Andres RH, Seiler RW, Meyer M, Widmer HR: The GDNF family members neurturi, artemin and persephin promote the morphological differentiation of cultured ventral mesencephalic dopaminergic neurons. Brain Res Bull 68: 42-53, 2005 Zimprich A, Biskup S, Leitner P, Lichtner P, Farrer M, Lincoln S, Kachergus J, Hulihan M, Uitti RJ, Calne DB, Stoessl AJ, Pfeiffer RF, Patenge N, Carbajal IC, Vieregge P, Asmus F, Müller-Myhsok B, Dickson DW, Meitinger T, Strom TM, Wszolek ZK, Gasser T: Mutations in LRRK2 cause autosomal-dominant Parkinsonism with pleomorpic pathology. Neuron 44: , 2004

13 91 BILAGA 1. Sammansättning av Neurobasal -medium Molekylvikt (g/mol) Koncentration (mg/l) Koncentration (mm) Komponenter Aminosyror Glycin L-Alanin L-Argininhydroklorid L-Asparagin-H2O L-Cystein L-Histidinhydroklorid-H2O L-Isoleucin L-Leucin L-Lysin hydroklorid L-Metionin L-Fenylalanin L-Prolin L-Serin L-Treonin L-Tryptofan L-Tyrosin L-Valin Vitaminer Kolinklorid D-Kalciumpantotenat Folsyra Niacinamid Pyridoxinhydroklorid Riboflavin Tiaminhydroklorid Vitamin B i-inositol Oorganiska salter Kalciumklorid (CaCl2) (anhydr.) Järnnitrat (Fe(NO3)3"9H2O) Magnesiumklorid (anhydr.) Kaliumklorid (KCl) Natriumbikarbonat (NaHCO3) Natriumklorid (NaCl) Natriumfosfat monobas (NaH2PO4-H2O) Zinksulfat (ZnSO4-7H2O) Andra komponenter D-Glukos (Dextros) HEPES Röd fenol Natriumpyruvat

14 92 BILAGA 2. Sammansättning av Supplement B27 Komponenter Vitaminer Biotin DL-Alfa-Tokoferylacetat DL-Alfa-Tokoferol A-Vitamin (acetat) Proteiner Bovint serumalbumin (BSA), fettsyrafri fraktion V Katalas Humant rekombinant insulin Humant transferrin Superoxiddismutas Andra Komponenter Kortikosteron D-Galaktos Etanolaminhydroklorid Glutation (reducerad) L-Karnitinhydroklorid Linolsyra Linolensyra Progesteron Putreskin 2 x hydroklorid Natriumselenit T3 (trijodo-i-tyronin) Sammansättning av 1 x PBS (fosfatbuffrad koksaltlösning) Komponenter 8,0 g NaCl 0,2 g KCl 1,4 g Na2HPO4 x 2H2O 0,2 g KH2PO4 ad ml MilliQ H2O Sammansättning av Tyroden-lösning (Ca-Mg-fri) Komponenter 8,0 g NaCl 0,2 g KCl 0,05 g NaH2PO4 x H2O 1,0 g Glukos 1,0 g NaHCO3 ad ml MilliQ H2O

15 93 BILAGA 3. Sammansättning av MEM ph 7,2 Molekylvikt (g/mol) Koncentration (mg/l) Koncentration (mm) Komponenter Aminosyror L-Argininhydroklorid L-Cystin 2 x hydroklorid L-Glutamin L-Histidinhydroklorid-H2O L-Isoleucin L-Leucin L-Lysinhydroklorid L-Metionin L-Fenylalanin L-Treonin L-Tryptofan L-Tyrosindinatriumsalt L-Valin Vitaminer Kolinklorid D-Kalciumpantotenat Folsyra Niacinamid Pyridoxinhydroklorid Riboflavin Tiaminhydroklorid i-inositol Oorganiska salter Kalciumklorid (CaCl2) (anhydr.) Magnesiumsulfat (MgSO4) (anhydr.) Kaliumklorid (KCl) Natriumklorid (NaCl) Natriumfosfat monobas (NaH2PO4-H2O) Andra komponenter D-Glukos (Dextros) Röd fenol