Transplantation av hjärnceller vid Parkinson Ingrid Strömberg Professor Institutionen för integrativ medicinsk biologi Enheten för histologi med cellbiologi Jag tänkte först berätta lite om Parkinsons sjukdom och vad den innebär. Det är en så kallad neurodegenerativ sjukdom som drabbar nervsystemet. Den har ett ganska långsamt förlopp, men de drabbade blir hela tiden sämre. Figur 1 är en typisk bild på en patient som har drabbats av parkinson. Utöver den förändrade kroppsställningen får man svårt att sätta igång sina rörelser, svårt att röra sig över huvud taget och rörelserna blir långsamma. Vissa patienter har också det som kallas tremor, alltså skakningar. De kommer när patienten är i vila, ofta på ena sidan i en arm eller ett ben, och har en ganska långsam frekvens. Det kallas vilotremor. Figur 1. Typiska tecken på att en person har Parkinsons sjukdom: Ofrivilligt låst kroppsställning med böjd nacke och rygg i kombination med långsamma rörelser. (Ur Sandoz Parkinsons sjukdom forskning och klinik, Steg och Jonels, 1984.) 42
Orsaken till symtomen vid Parkinsons sjukdom ligger i det så kallade nigrostriatala dopaminsystemet, se Figur 2. Hos dem som drabbas dör de här nervcellerna. Därigenom försvinner ett steg i hela den krets av nervbanor som vi har för att kunna sätta igång våra kroppsrörelser. Dopamin är en neurotransmittor, det vill säga en substans som överför signaler mellan nervceller. Den svenske forskaren Arvid Carlsson, verksam vid Göteborgs universitet, fick Nobelpriset i fysiologi (medicin) år 2000 för att under 1950- och 1960-talen ha upptäckt och beskrivit dopaminet. Figur 3 visar dopaminbildande (dopaminerga) celler i hjärnan. Det är de som projicerar sig upp till striatum, det område där dopaminet behövs. Figur 2. Det nigro-striatala dopaminsystemet. I hjärnstammen finns en grupp hjärnceller, substantia nigra ( den svarta substansen, MCG på bilden). De projiceras upp till ett område som kallas striatum (CP), som är den del av hjärnan där våra rörelser samordnas och sätts igång. (Ur Sandoz Parkinsons sjukdom forskning och klinik, Steg och Jonels, 1984.) Figur 3. Dopaminerga (dopaminbildande) hjärnceller projicerar sig till striatum, det område i hjärnan där dopaminet behövs. Symtomen på Parkinsons sjukdom brukar uppstå när hälften eller fler av cellerna i substantia nigra har dött. Om man då mäter dopaminhalten i striatum har ungefär 80 procent försvunnit. Med andra ord är den drabbade ganska sjuk redan när symtomen börjar visa sig. Att man kan klara sig så länge utan att få problem beror på att de friska nervcellerna speedar upp sin produk- 43
tion av dopamin för att kompensera när deras grannar faller bort. De som blir kvar jobbar hårdare och kan under ganska lång tid kompensera bortfallet av dopamin genom att enskilt producera och frisätta mera. Hur Parkinsons sjukdom uppstår vet man i de allra flesta fall faktiskt inte. Ibland inverkar genetiska faktorer, det vill säga att sjukdomen är mer eller mindre ärftlig, men det är ovanligt. Bara 10 procent av de parkinsonsjuka har en genetisk defekt, och då är det inte bara en utan många gener som kan ligga bakom sjukdomen. Inflammationer kan också inverka. I hjärnan hos en parkinsonsjuk finns inflammatoriska processer och mikroglia, som är ett slags stödjevävnad för hjärn- och nervcellerna, finns i ett konstant förhöjt antal. Denna inflammation pågår ständigt och man kan säga att en parkinsonhjärna hela tiden är på högvarv. Det här fenomenet är gemensamt för många neurodegenerativa sjukdomar och inte något speciellt för parkinson. Man vet också att miljön kan inverka. Vissa gifter, till exempel inom jordbruket, har kunnat kopplas till Parkinsons sjukdom. Också drogmissbruk kan ligga bakom. Man hittade till exempel några unga människor som kom in till ett sjukhus i Kalifornien med symtom som var väldigt lika de vid parkinson och de fick också den diagnosen. Det kändes emellertid konstigt att de var så unga eftersom sjukdomen framför allt drabbar personer i övre medelåldern. Nu kom det emellertid fram att de här ungdomarna hade försökt göra sitt eget heroin och den kemiska reaktionen hade det gått snett. Istället för heroinet skapades en giftig biprodukt som hade slagit ut dopamincellerna. Det finns med andra ord några kända anledningar till att man får sjukdomen, men i de flesta fall är orsaken okänd. L-dopa eller transplantationer? Sedan Arvid Carlsson upptäckt av dopamin 1957 dröjde det faktiskt ända till 1968 innan man kunde behandla dopaminbristen i hjärnan. Det är i princip samma behandling som används idag, s.k. L-dopabehandling. L-dopa (levodopa) är ett förstadium till dopamin, en så kallad prekursor. Problemet var att man inte helt enkelt kunde ta en tablett med dopamin. Ämnet skulle inte kunna passera den så kallade blod-hjärnbarriären och därför aldrig nå hjärnan. L-dopa passerar däremot och den behandlingen är fortfarande mycket användbar. Men idag finns också en del alternativa behandlingar, bland an- 44
nat elektrisk stimulering av ett område i hjärnan via en inlagd elektrod ( deep brain stimulation ). På samma sätt som Roland mäter nervceller kan man alltså gå in och manipulera dem. Ett annat alternativ är transplantationer, som ännu är en framtidsvision och som jag kommer att ägna resten av föredraget åt. Först vill jag också nämna något som ligger i pipeline inför framtiden. En tanke är att tillsätta nervtillväxtfaktorer, det vill säga ämnen som kan stimulera de kvarvarande dopaminbildande nervcellerna till att överleva och kanske också växa. På det området finns idag ett par tänkbara molekyler, en av dem är glial cell line-drived neurotrophic factor (GDNF) som har visat lite varierande effekt i försök på patienter. Man har dock hittat biverkningar som lett till att man avbrutit försöken och istället tänker pröva en närbesläktad molekyl. För att studera transplantationer använder vi djurmodeller, i huvudsak råtta eller mus som är utmärka försöksdjur för att studera beteenden. I råtthjärnor är substantia nigra pariga nervkärnor. Det innebär att det finns en i varje hjärnhalva. Vi börjar med att injicera ett nervgift som specifikt slår ut dopamincellerna på ena sidan så att vi får dopaminbortfall i striatum och en form av Parkinsons sjukdom. Om de här råttorna får låga doser av dopaminliknande läkemedel framme i striatum stimuleras den skadade sidan. Eftersom cellerna saknar dopamin svarar de på mycket lägre nivåer och det gör att man kan få ett annorlunda beteende hos djuren så att man ser och kan mäta skadan. Också när man transplanterar sätter man in de nya cellerna i samma område. Beteendet visar då om transplantaten fungerar, för i så fall slutar försöksdjuren med sitt udda beteende. De här djurmodellerna har använts sedan slutet av 1960-talet och är i bruk över hela världen idag. Man stoppar alltså in transplantaten i striatum. I substantia nigra-området, där de egentligen ska ligga, växer de helt enkelt inte ut, men det gör de i striatum. Figur 4 visar hur de transplanterade dopamincellerna växer och bildar nervfibrer i värdhjärnan. Att det här fungerade var man ju tvungen visa innan man kunde börja transplantera på patienter och experimenten gjordes redan på 1980-talet. Då kunde man också visa att dopamincellerna förutom att faktiskt överleva också bildar synaptiska kontakter så att de kan fungera. Man kan påvisa elektrisk aktivitet från en transplanterad dopaminerg cell med samma mätteknik som Roland nyss visade. På det sättet har man också 45
Figur 4. Ett transplantat, till vänster i bild, växer och bildar nervfibrer i en råtthjärna. Allt det ljusa är dopaminceller. (J Comp Neurol, 315: 445-456, 1992.) visat att dopamin frisätts på olika avstånd från transplantaten. Med andra ord fungerar de transplanterade cellerna och interagerar med värdhjärnan. Varierande cellöverlevnad När man transplantationsbehandlar parkinsonpatienter finns ett par problem att lösa. Det ena är att få tillgång på celler att transplantera. Hittills har man bara haft aborterade foster som källa och det är inte så etiskt försvarbart att använda som rutinmetod. Idag väntar neurokirurgerna på att Lena ska få fart på sina stamceller och kunna ge dem dopaminerga stamceller att implantera. Det ligger inte alltför långt borta från verkligheten. Det andra problemet är de varierande resultaten av att transplantera på människor. Många patienter har blivit bättre, så mycket bättre att de inte längre behöver behandlas med L-dopa. Det finns personer som har gått tillbaka till sina arbeten och kunnat leva ett mer eller mindre normalt liv. Men det är klart att de fortfarande har sin sjukdom i botten, och även om transplantaten lever och fungerar kommer deras egna dopaminceller att fortsätta dö. 46
När man började få fram sammanställningar av resultat från transplantationerna enades vi inom forskarvärlden om att det trots allt blir ganska dålig cellöverlevnad och därmed varierande grad av framgång. Vissa patienter blir bra men andra blev inte bättre. Det är klart att man som forskare blir besviken i det läget och återvänder till laboratoriebänken för att försöka stimulera cellöverlevnaden efter transplantation. Vi gick vidare genom att stimulera transplantaten med olika ämnen antioxidanter eller tillväxtfaktorer och fick förbättrad cellöverlevnad. Men, och det var ganska besvärande, vi fick inte bättre utväxt i värdhjärnan vilket egentligen är det vi behöver, se Figur 5. Med de olika ämnen som vi prövade såg vi aldrig någon sådan förbättring. Vi fick en mängd växande nervceller, men inte mer nervfibrer i det område där de behövs. transplantat värdhjärna Figur 5. De transplanterade nervcellerna överlever, men problemet är att en del celler inte kan växa in i värdhjärnan där dopaminet behövs. (Cell Transplantation 6: 287-296, 1997). Vad gör man då? Vi måste försöka hitta någonting som kan underlätta transplantatens utväxt i värdhjärnan. Vi tog våra nervceller och gjorde som Lena, det vill säga satte dem i odling, i en kultur, för att studera hur de fungerar och hur de växer. Hela den ljusa klumpen på Figur 6 är idel dopaminceller som Figur 6. I odling växer dopaminceller mycket kraftigare än om de transplanteras in i hjärnan. (Cell Transplantation 12: 243-255, 2003.) 47
växer i kultur. Redan efter tre dagar hade de växt enormt mycket, vilket vi verkligen inte hade förväntat oss. Så ser det inte alls ut när man transplanterar dem till hjärnan. Men det riktigt konstiga var att 14 dagar senare ser det ut som på Figur 7. Det verkade som om nervtrådarna växte ett stycke, men sedan började de cirkla runt utan att komma längre. Figur 7. Närbild av samma odling som på Figur 7 efter två veckor. Nervtillväxten har avstannat. (J. Comp. Neurol. 443: 237-249, 2002.) Stödjeceller och tillväxtfaktorer Då tänkte vi att det måste finnas någonting som styr nervcellerna och började titta på stödjecellernas roll. Utöver nervceller har hjärnan några olika typer av stödjeceller, bland annat astrocyter. Det visade sig då att vid den andra vågen av tillväxt, den som troligen är den vi får vid transplantationen, växer nervcellerna längs astrocyterna, se Figur 8. Skillnaden var att de celler som saknar astrocytstöd växer ohejdat mer än 3 millimeter på 2-3 veckor vilket är fantastiskt långt för ett enskilt nervutskott medan de som följde astrocyterna växte i ungefär 10 dagar och sedan stannade faktiskt tillväxten. Om man studerar effekterna av tillväxtfaktorn glial cell line-drived neurotrophic factor (GDNF), som jag berättade om tidigare, på samma odling får man de resultat som visas på Figur 9. Då vi försöker hindra astrocyter- 48
Figur 8. På astrocyterna, ett slags stödjeceller i hjärnan (synliga som ljusare prickar i undre bilden), växer de mörkare nervcellerna ut som på den undre bilden men slutar sedan växa. (J. Neurosci. Res. 86: 84-92, 2008.) Figur 9. Effekter av tillväxtfaktorn glial cell line-drived neurotrophic factor (GDNF) på den nervcellstillväxt som går via hjärnans stödjeceller. De celler som saknar den här tillväxtfaktorn (gdnf-/-) växer inte alls, men om den tillsätts (+ GDNF) växer de igen, precis som en odling från normal mus. (Brain Res. 1133: 10-19, 2007.) 49
nas celldelning får vi minskad utväxt och när vi stimulera celldelningen ökar utväxten. Det betyder att astrocyterna är viktiga för att kunna styra nervfiberutväxten från dopamincellerna. Det astrocyterna gör är att producera molekyler i den så kallade extracellulära matrixen (kroppsvävnad utanför cellerna), bland annat proteoglykaner. Om man förhindrar bildandet av dem hämmar det också utväxten av astrocyter. Vi har granskat en lång rad extracellulär matrix-molekyler och hittat en intressant typ som heter tenascin. Om vi går tillbaka till våra transplantat, ser vi att i de cellöar som inte ville växa in i värdhjärnan uttrycks just tenascin. Att forska är ju lite som att lägga ett pussel. Vi lägger pusselbit till pusselbit och i dagens läge försöker vi studera om tenascinet verkar så stimulerande att nervcellerna inte vill växa ut från den eller om den är så hämmade att cellerna inte kan växa. Det är precis var vi står i vår forskning just nu. Men det får jag komma tillbaka och berätta om en annan gång, för vi har inget svar idag. Så här långt har vi dragit slutsatsen att vi har flera undergrupper av de dopaminerga nervceller i våra transplantat och bland dem är det bara en som vill växa ut. Dessutom vet vi att hjärnans stödjeceller är väldigt viktiga för att styra den här utväxten. Sverker Olofsson: Den bild du ger, visst har vi alla uppfattat det rätt, går alltså ut på att inom en överskådlig tid botar man parkinson? Ingrid Strömberg: Ja, det tror jag, men precis hur långt vi når i processen att helt ta bort alla symtom, det vet vi ju inte ännu. Sverker Olofsson: Det finns alltså möjlighet för även en svårt drabbad parkinsonsjuk att kunna gå på jobbet? Ingrid Strömberg: Ja, flera av de parkinsonpatienter som har blivit transplanterade var väldigt svårt sjuka innan transplantationen och blev mycket bättre. Problemet är ju att alla inte blev det. Sverker Olofsson: En lite kanske fånig fråga i sammanhanget: Hur gör man för att transplantera någonting i hjärnan? Sprutar man in det? Ingrid Strömberg: Ja, man borrar ett litet hål och sprutar in. Sverker Olofsson: Men hur vet man att man är på rätt ställe då? Ingrid Strömberg: Det är neurokirurgerna väldigt bra på. Det är inget svårt problem i sammanhanget. 50
51