Kasvutekijätutkimus - oven avaus
aivosairauksien hoitoon
Mart Saarma
Akatemiaprofessori, Biotekniikan instituutti, Helsingin yliopisto
Molekulaarisen ja integratiivisen neurotieteen huippuyksikkö
Uudenmaan Parkinson-yhdistyksen 25-vuotisjuhlat
JUHLASEMINAARI
Biomedicum Helsinki, 19. 04. 2013
Aivotutkimuksen haasteita
Aivotoiminnan perusmekanismien ymmärtäminen
Oppimisen ja muistin mekanismien selvittäminen
Ymmärtää hermoston (rappeuma-) sairauksien tautimekanismeja ja
kehittää uusia hoitoja
Hermosolut vastaanottavat, yhdistelevät,
varastoivat ja siirtävät informaatiota
• Ihmisaivoissa on 1011 hermosolua ja yli 10,000
erilaista hermosolutyyppiä
Ihmisaivot ovat melko
monimutkaiset
• Yksi hermosolu voi muodostaa 10,000 kontaktia
(synapsia) aivoissa
• Aivoissamme on ainakin 1014 hermosolukontaktia
• Linnunradassa on 2x1011 tähteä
• 1mm3 aivokuorta sisältää arviolta useita
kilometrejä viejähaarakkeita (aksoneita) ja
tuojahaarakkeita (dendriittejä)
Parkinsonin tauti (PT)
•
Etenevä neurodegeneratiivinen
liikesairaus
– Dopamiinineuronit tuhoutuvat
mustatumakkeessa (substantia nigra)
•
Oireet: liikkeiden hitaus, lepovapina,
jäykkyys ja tasapainovaikeudet
– Motoriset oireet ilmenevät kun ~4050% mustatumakkeen
dopamiinineuroneista on menetetty ja
aivojuovion (striatum)
dopamiinipitoisuus on pienentynyt n.
~60-70%
– 7-10 miljoona potilasta
Dauer and Przedborski 2003
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 Ldopa – aminohappoa.
Parkinsonin taudissa motoriset oireet ilmenevät vasta kun
suurin osa dopamiinineuroneista on tuhoutunut
Dopamiini
% kontrollista
100
80
60
Adaptive
capacity
Kompensaatio
= ilman oireita
40
Heikot oireet
20
Vakavat oireet
Decom pensation
0
Ajankohtaisia ongelmia
Parkinsonin tautiin liittyen
• Parkinsonin taudin patogeneesi ei ole selvä
• Varhaista PT diagnosointia ei oikestaan ole olemassa
• Nykyiset terapiat hoitavat oireita eikä YKSIKÄÄN
olemassa olevista lääkkeistä hidasta tai pysäytä
neuronien rappeutumista
• Itseasiassa edellinen on totta kaikissa hermoston
rappeumasairauksissa
Parkinsonin tautiin liitetyt geenit
Lokus
mutatoitunut geeni
kromosomi ja PT tyyppi
PARK1:
PARK2:
PARK3:
PARK4:
PARK5:
PARK6:
PARK7:
PARK8:
-Synuclein
Parkin
unknown
-Syn triplication
UCH-L1/PGP9,5
PINK1
DJ-1
LRRK2 (Dardarin)
PARK10:
PARK11:
geeni tuntematon
geeni tuntematon
4q21, AD
6q25, AR
2p13 AD
4q21
4p14 AD
1p36 AR
1q36 AR
12q12 AD + sporadinen,
myöhään puhkeava PT
p32 tyypillinen PT
2q34 tyypillinen PT
Vain 5-10% tapauksista on familiaarisia
Tärkeimmät strategiat uusien
hoitomuotojen kehittämiseksi
Parkinsonin tautiin
Uusien terapioiden pitäisi sisältää interventioita, jotka
hidastavat neuronien rappeutumista tai pysäyttävät
rappeutumisprosessin:
– Estävät dopaminia tuottavien hermosolujen
rappeutumisen
– Uudistavat hermosolujen yhteyksiä ja stimuloivat
yhteyksien muodostumista
– Lisäävät vaurioitumattomien dopamiinia tuottavien
neuronien toiminnallista aktiivisuutta
Voimmeko avata Parkinsonin
taudin hoidon “lukon”?
Courtesy Kaari Saarma
Kehityksen aikana neuroneita tuotetaan
ylenmäärin. Kasvutekijät, jotka säätelevät
neuronien määrää nisäkkäiden aivoissa, on
kuvattu huonosti
Paitsi kehityksessä, neuronit kuolevat myös neurodegeneratiivisissa sairauksissa
Nobel-palkinto fysiologiassa tai
lääketieteessä 1986
“heidän löytämistään kasvutekijöistä"
Stanley Cohen
Rita Levi-Montalcini
1909-2012
GDNF-perheen ligandi-reseptori interaktiot
Trupp et al., Saarma, Nature 1996
Airaksinen & Saarma 2002, Nature Rev. Neurosci.
GDNF sitoutuu spesifisesti GFR 1apureseptoriin ja aktivoi RET-reseptorin
RET
GFR 1
Signalling
Bespalov and Saarma, TiPS, 2007
Erilaisia terapeuttisia strategioita
Parkinsonin taudin hoitamiseksi
Andressoo and Saarma, Curr. Opin. Neurosci., 2008
Hermokasvutekijät on vietävä suoraan aivoihin,
koska ne eivät läpäise aivo-veriestettä
GDNF:llä on vahva terapeuttinen vaikutus
PT hoidossa?
GDNF:n jatkuva infuusio – 14-40 mikrogrammaa/päivä
Medtronicsin pumppu asennettiin ihon
alle.
Ohut putki kulki ihon alla ja yhdistyi
putamen-tyvitumakkeessa sijaitsevaan
katetriin.
Pumppu infusoi GDNF:ää suoraan
aivoihin (Gill et al. 2003).
Gill et al, Nature Medicine, 2003
Kliininen koe III: GDNF:n aivojensisäinen
infuusio (Amgen-koe; Lang et al. 2006)
•
34 potilasta; lumelääke (n=17) tai GDNF (15 mikrogrammaa/päivä)
kumpaankin putameniin
•
satunnaistettu, kaksoissokkokoe, kesto 6 kuukautta
•
ei oireiden parantumista lumehoitoon verrattuna
•
PET-FD:n otto lisääntynyt katetrin kärjestä
•
Neutraloivia vasta-aineita GDNF:ää vastaan kahdella potilaalla (5/49
kaikista tapauksista), sitovat vasta-aineet väliaikaisia tai muuttuneet
neutraloiviksi vasta-aineiksi
•
Käyttivät halkaisijaltaan suurempaa katetria, joka ei toiminut
aikaisemmin tehdyissä kokeissa ei-humaanisilla kädellisillä
Meidän nykyiset
lähestymistapamme
• Etsitään uusia hermokasvutekijöitä,
jotka toimisivat tehokkaasti
Parkinsonin taudin terapiassa
• Kehitetään pienmolekyylejä, jotka matkivat
hermokasvutekijöiden toimintaa ja estävät
hermosolujen rappeutumista
Päivi Pulkkila neé Lindholm
• MANF and CDNF in the vertebrates; Single CDNF/MANF homolog in the
invertebrates. No sequence homology with other proteins
• No pro-sequence; no enzymatic activation
• Eight conserved cysteine residues
• Secreted
Lindholm et al. & Saarma Nature, 448, 73-77, 2007
Verrattuna muihin tunnettuihin
hermokasvutekijöihin, CDNF on aivo-spesifinen
hermokasvutekijä
•
CDNF on keskushermosto-spesifisin tunnettu hermokasvutekijä,
jolla ei käytännössä ole in vitro -vaikutuksia ääreishermoston
neuroneihin
•
Neurotrofiineilla, GDNF-perheen ligandeilla ja neurokiineillä on
erilaisia vaikutuksia ääreishermoston neuroneihin
•
CDNF vaikuttaa vaan vaurioituneisiin hermosoluihin
Onko CDNF:lla neuroneita
suojaavia tai korjaavia vaikutuksia
Parkinsonin taudin eläinmalleissa?
Parkinsonin taudin 6-hydroksidpamiini (6-OHDA)-rottamalli
Prof. Raimo K. Tuominen, FM Merja H. Voutilainen
Farmakologian ja toksikologian osasto
Intrastriataalinen injektio
Kirik et al. Nat. Neurosci. 2004
•
6-OHDA tuhoaa erityisesti
dopamiinineuronit
•
6-OHDA ei läpäise aivoveriestettä: Injesoidaan
suoraan aivoihin
•
Vaurion suuruutta voidaan
arvioida mittaamalla rotan
pyörimiskäyttäytymistä
Toispuoleinen Parkinsonin taudin 6-OHDAvauriomalli:
Ungerstedtin kääntymismalli
•
6-OHDA tuhoaa selektiivisesti
dopaminergisen nigrostriataalisen
radan (mukaanlukien presynaptiset
DA-neuronit striatumissa)
– Aiheuttaa superherkkyyttä
postsynaptisissa DA-reseptoreissa
striatumissa
– Epätasapaino DA-aktiivisuudessa
kahden striatumin välillä aiheuttaa
toispuoleisen pyörimisen
– Rotat kääntyvät poispäin
suuremmasta DA-pitoisuudesta
Neurorestoraatio koeasetelma –
muistuttaa tilannetta potilailla
CDNF suojaa dopamiinineuroneita
rotan 6-OHDA mallissa
A
B
TH-värjättyjä striatum-leikkeitä
A, vehikkeli ja 6-OHDA-käsitelty rotta
B, GDNF (10 µg) ja 6-OHDA-käsitelty rotta
C, CDNF (10 µg) ja 6-OHDA-käsitelty rotta
6-OHDA-vaurio vasemmalla puolella
C
CDNF korjaa motorista toimintaa
6-OHDA-leesioiduilla rotilla
Amfetamiinin aiheuttama vaurion suuntainen pyöriminen
CDNF korjaa vaurioituneita dopaminergisiä neuroneita
CDNF aikaansaa osittaisen
TH-positiivisten solujen toipumisen
Stereologinen TH-positiivisten solujen laskeminen
substantia nigran alueella Stereo Investigator-laitteella
Lindholm et al. Nature, 448, 73-77, 2007
Kokeita Parkinsonin tautimalleilla
ei-humaaneilla kädellisillä
CDNF-tutkimus kädellisillä (Rhesus-apina):
Dopamiinineuronien toiminnan palauttaminen
hermomyrkyllä tuotetun vaurion jälkeen
•
•
•
•
•
•
Judy L. Cameron, FT
Zhiming Zhang, FT
Yi Ai, FT
Richard Grondin, FT
Amanda Dettmer, FT
Krishna Subramanian
Yliopisto Pittsburgh
Yliopisto Kentucky
•
•
Tutkimuksen tavoitteena on testata kädellisillä, pystyykö CDNF palauttamaan
keskiaivoissa (nigrostriatal) dopamiinineuronien aktiivisuuden
Jos pystyy, tavoitteena on verrata Parkinsonin taudin apina-eläinmallissa
CDNF:n ja GDNF:n tehokkuutta taudin motoristen ja ei-motoristen oireiden
ehkäisemiseksi
Eläimen lopetus
MPTP: annostus
Ennen - MPTP
Lopetuksen jälkeen
Jälki-infuusio
STEREOTACTIC
INTRAPUTAMENAL MRI-GUIDED INFUSION
Aloitus
0
1,5 kk MPTP:n
jälkeen
1
2
3
4
3
4
5
6
Koesuunnitelma
Ryhmät Annostelu
1
2
3
4
MPTP + GDNF (450 g)
MPTP + CDNF (450 g)
MPTP + CDNF (150 g)
MPTP + Vehicle
Aika (kuukausia)
CDNF:n Infuusio:
MRI-kuvantaminen
Right
Left
MPTP:llä tuotettu hermovaurio
Vasen
Oikea
Esimerkki PET-kuvasta, jossa MPTP:llä on tuotettu
toiseen aivopuoliskoon vaurio.
Kuvantamiseen on käytetty VMAT2-molekyyliin
sitoutuvaa radioaktiivista leimaa (type-2 vesicular
monoamine transporter (VMAT2)-specific radioligand,
[11C]DTBZ.) Punainen väri indikoi vahvaa
leimautumista ja vihreä väri heikkoa leimautumista
Motoristen ominaisuuksien
mittaaminen
Monkey Parkinsonian Rating Scale
Activity measured by accelerometer
Automated Movement Tracking (Ethovision)
Monkey Movement Analysis Panel (mMAP)
Monkey home-pen videotaping
Monkey Parkinson’s Rating Scale
MPTP:llä tuotettu hermovaurio - kontrolli
100,0
80,0
60,0
40,0
20,0
0,0
post-MPTP
Post-Infusion 1
Post-Infusion 2
Post Infusion 3
Kolmesti annosteltu CDNF parantaa
merkittävästi UPDRS-tulosta MPTP-apinoilla
100,0
80,0
*
60,0
150 g CDNF
*
40,0
*
20,0
0,0
post-MPTP
Post-Infusion 1
Post-Infusion 2
Post Infusion 3
55%
Kolmesti annostellun GDNF:n vaikutus on
paljon pienempi kun CDNF:n
100,0
80,0
60,0
450 g GDNF
+
40,0
20,0
0,0
post-MPTP
Post-Infusion 1
Post-Infusion 2
Post Infusion 3
CDNF:n vaikutus on pitkäaikainen
CDNF edistää vasemman käden
hienomotoriikan palautumista
CDNF ehkäisee dopamiinineuronien tuhoutumista ja
palauttaa neuronien toiminnan Parkinsonin taudin
eläinmallissa
CDNF
Ehkäisee neuronien tuhoutumisen
Indusoi aksonien uudistumista ja kasvua
Stimuloi dopamiinin synteesiä ja sisäänottoa
Tavoite:
Kehittää CDNF-proteiinia hyödyntävä lääke
Parkinsonin taudin hoitamisen
Tuleva tutkimus
• Toksikologisia kokeita geneettisillä Parkinsonin
taudin hiirimalleilla
• Toksikologisia kokeita Parkinsonin tautimalleilla
ei-humaaneilla kädellisillä
• Kliinisten kokeiden aloittaminen 2014
Kiitokset
Biotekniikan Instituutti
• Päivi Pulkkila
• Maria Lindahl
• Mikko Airavaara
• Johan Peränen
• Jaan-Olle Andressoo
• Ave Eesmaa
• Erik Palm
• Tatiana Danilova
Farmakologian osasto
• Merja H. Voutilainen
• Raimo K. Tuominen
• Petteri Piepponen
Yliopisto Pittsburgh
Yliopisto Kentucky
•
•
•
•
•
•
Judy L. Cameron, FT
Zhiming Zhang, FT
Yi Ai, FT
Richard Grondin, FT
Amanda Dettmer, FT
Krishna Subramanian