Μοριακή και κυτταρική φυσιολογία χρόνιων νοσημάτων του κεντρικού νευρικού συστήματος. ΜΠΣ Ιατρική Χημεία Λαμπρακάκης Χαράλαμπος, 2015

Transcript

1 Μοριακή και κυτταρική φυσιολογία χρόνιων νοσημάτων του κεντρικού νευρικού συστήματος ΜΠΣ Ιατρική Χημεία Λαμπρακάκης Χαράλαμπος, 2015

2 Νευροεκφυλιστικές Νευροαναπτυξιακές

3 Νευροεκφυλιστικές Διαταραχές Κυτταρικός θάνατος συγκεκριμένων τύπων νευρικών κυττάρων Alzheimer s Disease Parkinson s Disease

4 Parkinson s Disease Βραδύτητα και απώλεια κινήσεων Αυξημένος μυικός τόνος και μυική ακαμψία Μυικός τρόμος σε ανάπαυση (αλλά οχι στον ύπνο) μειωμένα αντανακλαστικά

5 Parkinson s Disease Καταστροφή ντοπαμινεργικών νευρώνων στη Μέλανα ουσία (Substancia nigra) Η Μέλανα ουσία στέλνει απολήξεις και ρυθμίζει το ραβδωτό σωμάτιο (Striatum) το ραβδωτό σωμάτιο βρίσκεται στα βασικά γάγγλια που είναι ρυθμιστικό κέντρο κίνησης

6 Γονίδια και Parkinson s Disease Μεταλλάξεις στα γονίδια : α-synuclein φυσιολογικά βρίσκεται στις προσυναπτικές απολήξεις παίζει ρόλο στη διακίνηση συναπτικών κυστιδίων parkin μέρος του συμπλόκου ουβικιτίνης-πρωτεασώματοςτη ρόλος στην αποδόμηση άχρηστων/κατεστραμμένων πρωτεϊνών Συσωματώματα α-συνουκλεϊνης σε σωμάτια Lewy στη Μέλανα ουσία

7 Alzheimer s Disease Γλωσσικές δυσκολίες αποπροσανατολισμός Απώλεια μνήμης και διανοητικών ικανοτήτων (άνοια, dementia). Κάποια γενετική προδιάθεση

8 Alzheimer s Disease Απώλεια νευρώνων στιν Ιππόκαμπο, και προμετωπιαίος φλοιό Ατροφία συρρίκνωση εγκεφάλου, μεγαλύτερες κοιλίες

9 Μεταλλάξεις σε τρία γονίδια στο Alzheimer Amyloid precursor protein (APP) διαμεμβρανική πρωτεϊνη, με άγνωστο ρόλο η διάσπαση τους απελευθερώνει Αβ Presenilin 1 Presenilin 2 διαμεμβρανικές πρωτεϊνες, μέρος του συπλόκου της γ-σεκρετάσης (πρωτεάση), διασπά την APP. Προκαλλούν τη παραγωγή έκκριση και συσσώρευση του Aβ42

10 The amyloid precursor protein (APP) can be proteolytically processed in two main ways. Cleavage of APP within the amyloid-β (Aβ) sequence by α-secretase (α) releases a secreted form of APP (sappα) from the cell surface. Secreted APPα activates a putative receptor (R) linked to cyclic-gmp production and activation of cgmp-dependent protein kinase (PKG). PKG can then promote opening of K+ channels, resulting in membrane hyperpolarization, and can also activate the transcription factor NF-κB; these effects of sappα are believed to mediate its neuron-survival promoting properties. A second pathway of APP processing involves cleavages at the N- and C-termini of Aβ by β-secretase(β) and γ-secretase (γ), respectively. This releases Aβ from cells, which, under suitable conditions (high concentration, oxidizing environment), begins to self-aggregate. Under these conditions, Aβ induces membrane lipid peroxidation (MLP), which impairs the function of membrane ion-motive ATPases (Na+ and Ca2+ pumps) and glucose transporters. Neurons are thus vulnerable to apoptosis

11 Presenilin-1 (PS-1) is an integral membrane protein located primarily in the endoplasmic reticulum (ER). Mutations in PS-1 perturb ER Ca2+ homeostasis, resulting in increased release of Ca2+ through ryanodine receptors (RYRs) and inositol-1,4,5 trisphosphate (Ins(1,4,5)P3) receptors. The enhanced Ca2+ release triggers further Ca2+ influx through Ca2+ release channels in the plasma membrane, and this altered Ca2+ homeostasis makes neurons vulnerable to apoptosis and excitotoxicity, and alters APP processing in a manner that increases Aβ production.

12 Γενετικός παράγοντας κινδύνου Απολιποπρωτεϊνη Ε (APOE) 40-80% των ασθενών με Alzheimer έκφράζουν το αλληλόμορφο ε4 της APOE H APOE είναι συστατικό των ενδιάμεσης πυκνότητας λιποπρωτεϊνών (IDL) APOE αυξάνει την αποδόμηση της Αβ, η ισομορφή ε4 όμως ειναι λιγότερο δραστική

13 Χολινεργική υπόθεση μειωμένη σύνθεση του νευροδιαβιβαστή ακετυλοχολίνη

14 Γεροντικές πλάκες (senile plaques) Υπόθεση Αμυλοειδούς Βρίσκονται εξωκυττάρια συσσωματώματα Αβ (αμυλοειδείς πλάκες)

15 Νευροινιδιακά συσσωματώματα (neurofibrillary tangles) Υπόθεση tau Βρίσκονται μέσα σε μεγάλα πυραμιδικά κύτταρα στον ιππόκαμπο και στην εμπρόσθια κροταφική περιοχή του φλοιού Σχηματίζονται από την Τ-πρωτείνη φυσιολογικά πολυμερίζει τους μικροσωληνίσκους και διατηρεί την κυτταρική δομή, υπερφωσφορυλιώνεται και αλλάζει η στερεοδομή της

16

17

18 Ο ρόλος των μιτοχονδρίων στις νευροεκφυλιστικές διαταραχές

19 Νευροαναπτυξιακές διαταραχές Σχιζοφρένεια και ψυχώσεις

20 Σχιζοφρένεια είναι χρόνια ψυχική ασθένεια είναι πολυπαραγοντική και ετερογενές σύνδρομο περιλαμβάνει αλλοίωση στη συμπεριφορά, της αντίληψης και νοητικές διαταραχές

21 Σχιζοφρένεια Δεν υπάρχει συγκεκριμένο κοινό σύμπτωμα που χαρακτηρίζει τη σχιζοφρένεια δεν υπάρχουν εργαστηριακά διαγνωστικά τεστ Δεν είναι γνωστή η παθογένεση η διάγνωση είναι βασισμένη στη παρουσία συγχρόνως περισσότερων συμπτωμάτων

22 Σχιζοφρένεια Παρατηρείται στο 0.5 1% του πληθυσμού συνήθως εμφανίζεται σε ηλικία 15-25

23 Συμπτώματα της σχιζοφρένειας ψύχωση (θετικά συμπτώματα) ψυχωτικά επεισόδια παραισθήσεις αυταπάτες αρνητικά συμπτώματα κατά τη μή ψυχωτική περίοδο έλλειψη κινήτρου κοινωνική απομόνωση γωστικά συπτώματα διαταραχές στη λειτουργική μνήμη (working memory)

24 Ψύχωση παραισθήσεις (hallucination) αισθήσεις αποκομμένες απο τα εξωτερικά ερεθίσματα αίσθηση για κάτι που δέν υπάρχει συνήθως ακουστικές (φωνές) ψευδαισθήσεις (illusion) παρερμηνεία αισθήσεων διαστεβλωμένη αντίληψη ύπαρξη ερεθίσματος Παραληρητικές ιδέες -αυταπάτες (delusion) εσφαλμένες πεποιθησεις διωκτικό παραλήρημα και το παραλήρημα μεγαλείο

25 Ψύχωση παραισθήσεις (hallucination) Κάτω κροταφικός φλοιός: διάκριση οπτικών αντικειμένων

26 Αρνητικά συμπτώματα έλλειψη κινήτρου και πρωτοβουλίας απάθεια κοινωνική απόσυρση

27 Γωστικά συμπτώματα διαταραχές του ειρμού της σκέψης ομιλία ασαφής και δυσνόητη διαταραχές στη λειτουργική μνήμη (working memory) ενεργός ή λειτουργική μνήμη: η εγκεφαλική λειτουργία που κρατάει πληροφορία (βραχύχρονα) για παταιτέρω επεξεργασία και εκτέλεση μνημονικών εργασιών όπως η κατανόηση και η επιχειριματολογία, επίλυση προβλημάτων. (ιππόκαμπος - προμετωπιαίος λοβός) μακροπρόθεσμη μνήμη: δηλωτική μνήμη (καταστάσεις, πρόσωπα) (Ιππόκαμπος) διαδικαστική μν. (δεξιότητες) (βασικάγάγγλια παρεγκεφαλίδα)

28 Ανάπτυξη της σχιζοφρένειας αρχική περίοδος πρόδρομων συμπτωμάτων

29 Ανατομία της σχιζοφρένειας Συμμετοχή πολλών περιοχών του εγκεφάλου Διαφορετικές εγκεφαλικές περιοχές επικοινωνούν μεταξύ τους αποτελώντας λειτουργικά δίκτυα Η κατάσταση των συναπτικών συνδέσεων μεταξύ των περιοχών του εγκεφάλου παίζει ρόλο στη παθολογία της σχιζοφρένειας

30 Ανατομία της σχιζοφρένειας μετωπιαίος λοβός κροταφικός λοβός Παρατηρήθηκε μείωση του όγκου του μετωπιαίου λοβού σε σχιζοφρενείς Μείωση της φαιάς ουσίας του προμετωπιαίου και κροταφικών φλοιών διεύρυνση των πλάγιων και της τρίτης κοιλίας

31 Προμετωπιαίος (prefrontal) λοβός ρόλος στο σχεδιασμό σύνθετων γνωστικών συμπεριφορών κέντρο λήψης αποφάσεων λύση προβλημάτων πρόβλεψη μελλοντικών συνεπειών πράξεων σχεδιασμός και θέσπιση στόχων λειτουργική μνήμη

32 Προμετωπιαίος (prefrontal) λοβός

33 Η θεωρία της σχιζοφρένεια ώς νευροαναπτυξιακή ασθένεια Παρόλη τη παρουσία μείωμένης φαιάς ουσίας του προμετωπιαίου φλοιού στους σχιζοφρενείς, δεν παρατηρείται μείωση του αριθμού των νευρικών κυττάρων. Η μείωση του όγκου προκαλείται απο μείωση δενδριτικών και αξονικών απολήξεων (π.χ. μείωση μήκους, διακλαδώσεων, αριθμού ακάνθων, αριθμού συνάψεων) Τα παραπάνω οδήγησαν στο συμπέρασμα ότι η σχιζοφρένεια δεν είναι νευροεκφυλιστική ασθένεια αλλά πιθανών να προκαλείται απο ανώμαλίες στην ανάπτυξη του εγκεφάλου. Σε αυτό συνηγορεί και το γεγονός της έναρξη της ασθένειας λίγο μετά την εφηβική ηλικία Η ανάπτυξη του νευρικού συστήματος περιλαμβάνει: τη γένεση νευρικών και νευρογλοιακών κυττάρων τη μετανάστευση των κυττάρων απο τις περιοχές γένεσης στη περιοχή τελικής λειτουργίας, την ανεύρεση της διαδρομής του άξονα (axonal pathfinding) και τη συναπτογένεση

34 Φαρμακολογία Πρώτη γενεά αντιψυχωτικών φαρμάκων Χλωροπρομαζίνη Αρχικά αναπτύχθηκε ως αντιισταμινεργικό για προαναισθητική δράση Βρέθηκε ότι έχει αντιψυχωτική δράση Έχει δράση σε δίαφορους υποδοχείς μεταξύ των οποίων υποδοχείς D2 της ντοπαμίνης (τους μπλοκάρει) Κινητικές παρενέργειες (θυμίζει τη νόσο Parkinson) Ρεσερπίνη Αρχικά χρησιμοποιήθηκε ως υπερτασικό φάρμακο εξαντλεί τις μονοαμίνες απο τις συνάψεις (μπλοκάρει τον μεταφορέα VMAT)

35 Η υπόθεση της Ντοπαμίνης για τη σχιζοφρένεια Ανταγωνισμός στους υποδοχείς D2 της ντοπαμίνης και αντιψυχωτική δράση Η αντιψυχωτική δράση των φαρμάκων αυτών επιτυγχάνεται μετά απο χορήγηση εβδομάδων. Ο μηχανισμός περιλαμβάνει χρόνια προσαρμογή στα κύτταρα, τις συνάψεις, το νευρωνικό δίκτυο και όχι την άμεση δράση στους υποδοχείς

36 Φαρμακολογία Δεύτερη γενεά αντιψυχωτικών φαρμάκων Πρωτότυπο η Κλοζαπίνη λιγότερες κινητικές παρενέργειες είναι ανταγωνιστής και για τους υποδοχείς της ντοπαμίνης D2 και για τους υποδοχείς της σεροτονίνης 5HT2A. Η δράση στους υποδοχείς 5HT2A μειώνει τις κινητικές παρενέργειες αλλά ίσως να είναι και αντιψυχωτική.

37 Φαρμακολογία Ουσίες με δράση στους υποδοχείς NMDA, έχουν θεραπευτικές ιδιότητες κατα των αρνητικών και γνωστικών συμπτωμάτων της σχιζοφρένειας ουσίες που αυξάνουν τη δραστηριότητα γλυκίνη, D-σερίνη, D-αλανίνη Φάρμακο D-κυκλοσερίνη: δρά στον τόπο σύνδεσης της γλυκίνης στον υποδοχέα NMDA

38 Συστήματα νευροδιαβιβαστών και σχιζοφρένεια Ντοπαμίνη Ενδείξεις ότι ο νευροδιαβιβαστής ντοπαμίνη εμπλέκεται στη σχιζοφρένεια προέρχονται απο το γεγονός οτι τα περισσότερα αντιψυχωτικά φάρμακα είναι ανταγωνιστές των υποδοχέων D2 Επίσης ψυχοδιεγερτικά φάρμακα (αμφεταμίνες, κοκαΐνη, L-dopa) δρούν αυξάνοντας το επίπεδο της ντοπαμίνης στις συνάψεις. Προκαλούν παρανοϊκές αυταπάτες. Η ντοπαμίνη ρυθμίζει τη γνωστική λειτουργία στον προμετωπιαίο φλοιό. Υποδοχείς ντοπαμίνης στα πυραμιδικά κύτταρα. γλουταμινικό οξύ - NMDA Φάρμακα κατά της σχιζοφρένειας που μεταβάλλουν τη δραστηριότητα των υποδοχέων NMDA (αύξηση). Ουσίες που μπλοκάρουν τους υποδοχείς NMDA (κεταμίνη) προκαλούν ψυχωτικά συμπτώματα Υπόθεση γλουταμινικής υπολειτουργίας για τη σχιζοφρένεια GABA (;) Υπολειτουργία υποδοχέων NMDA εντοπισμένη σε GABAεργικά ανασταλτικά κύτταρα στον προμετωπιαίο φλοιό

39

40

41 Κληρονομικοί παράγοντες στην αιτιολογία της σχιζοφρένειας Ο μονοζυγωτικός δίδυμος ενός ασθενή με σχιζοφρένεια έχει 50% πιθανότητα ανάπτυξης της νόσου Η σχιζοφρένεια δεν ακολουθεί μεντελική αλλά σύνθετη γενετική Επηρεάζεται απο πολλά γονίδια που αλληλεπιδρούν μεταξύ τους

42 Μελέτες έχουν υποδείξει αρκετούς γονιδιακούς τόπους και γονίδια NRG1 (Neuregulin 1) COMT (catechol-o-methyltransferase ) DISC1 (disturbed in schizophrenia

43 Neuregulin-1 (NRG1) σύνθετο γονίδιο με πολλά ιντρόνια και εξώνια. Μπορεί να δώσει πολλές ισομορφές Δρά και ως διαμεμβρανικός υποδοχέας Η εξωκυττάρια αλλα και η ενδοκυτταρική πλευρά μπορεί να διασπασθεί πρωτεολυτικά. Τα κομμάτια της διασπασης μπορούν να δράσουν ως δεύτερα μηνύματα αλληλεπιδρά με τον υποδοχέα ErbB (διαμεμβρανικός υποδοχέας κινάση της τυροσίνης) ρόλος κυτταρική διαφοροποίηση και κυτταρική μετανάστευση νευρικών κυττάρων Μέσω του ErbB ρυθμίζει τον υποδοχέα NMDA. Το NRG1 ειναι ενισχυμένο κατά τη σχιζοφρένεια οδηγόντας στη μείωση της δραστηριότητας τουnmda

44 Οι πολλές (ισο)μορφές του Neuregulin-1

45 Οι ποίκιλες λειτουργίες του Neuregulin-1

46 catechol-o-methyltransferase (COMT) ένζυμο το οποίο συμμετέχει στην κάθαρση της ντοπαμίνης απο τη συναπτική σχισμή μετάλλαξη του προκαλεί αυξημένη συγκέντρωση της ντοπαμίνης στις συνάψεις

47 DISC1 ανακάληψη σε οικογένεια με σχιζοφρενείς. Το γονίδιο είχε υποστεί διακοπή λόγω χρωμοσωμικής μετάθεσης του χρωμοσώματος 1 με το 11 Η DISC1 πρωτεϊνη αλληλεπιδρά με άλλες πρωτεΐνες του κυττάρου (π.χ. με πρωτεΐνες που συμμετέχουν στην οργάνωση των μικροσωληνίσκων). Συμμετέχει στη ανάπτυξη των νευρικών κυττάρων αλλα και σε δίαφορες λειτουργίες των ενήλικων νευρικών κυττάρων. λειτουργίες στην ανάπτυξη: κυτταρική μετανάστευση τη δημιουργία νευριτικών αποφύσεων (neurite outgrowth) νευρική ωρίμανση στα ενήλικα νευρικά κύτταρα: συναπτική πλαστικότητα ρύθμιση κυτταροσκελετού συμμετέχει στη νευροδιαβίβαση μέσω της ρύθμισης της φωσφοδιεστεράσης-4β (αποικοδομεί το camp)

48

49 Η σχιζοφρένεια επηρεάζεται απο περιβαλλοντικούς παράγοντες Οι επιπλοκές στην εγκυμοσύνη και στον τοκετό Υποσιτισμός της εγκυμονούσας μητέρας Προγεννητικές και παιδικές λοιμώξεις (ερπητοιός 1-2, πολιομυελιτιδα) υπάρχουν αποδείξεις ότι δεν ειναι ο ιός καθαυτός που προκαλεί τις νευροαναπτυξιακές διαταραχές αλλά η φλεγμονή (κυτοκίνες, ορμόνες στρές) Επιγενετική

50 Σχιζοφρένεια Προμετωπιαίος φλοιός - GABA Χαρακτηρηστικό της σχιζοφρένειας αποτελεί η ανεπαρκής σύνθεση του GABA Παρατηρείται μείωση του GAD67 στο προμετωπιαίο φλοιό σε ασθενείς με σχιζοφρένεια Η μείωση του GAD67 συβαίνει κυρίως σε έναν υπότυπο ενδιάμεσων ανασταλτικών κυττάρων: Τα κύτταρα που περιέχουν παραλβουμίνη (PV) Η παραλβουμίνη κυτταροπλασματική πρωτεϊνη που δεσμέυει ασβέστιο Δύο ειδών PV-κύτταρα καλαθοειδή (νευρώνουν το κυτταρικό σώμα των πυραμιδικών) καντηλοειδή (αξο-αξονικά)

51 Ενας σημαντικός ρόλος του νευροδιαβιβαστή GABA και των κάποιων GABAεργικών ανασταλτικών νευρώνων είναι η συμμετοχή στη δημιουργία ρυθμικής δραστηριότητας Η δραστηριότητα των κυττάρων PV, το GABA και οι GABAΑ-υποδοχείς συμβάλουν στο συγχρονισμό των πυραμιδικών κυττάρων και τη δημιουργία ρυθμού γ (30-80 Hz) στον φλοιό μείωση της GABAεργικής συναπτικής διαβίβασης στο φλοιό προκαλεί μείωση των ρυθμών γ και διαταραχή σε γνωστικές λειτουργίες, λειτουργική μνήμη κλπ. Η ντοπαμίνη επηρεάζει τους εγκεφαλικούς ρυθμούς

52 Οι εγκεφαλικά κύματα / ρυθμοί προκαλούνται από συγχρονισμένη δραστηριότητα νευρώνων Έχουν σημαντική λειτουργία στη ρύθμιση της εγκεφαλικής δραστηριότητας, την πλαστικότητα, την επικοινωνία των διαφόρων εγκεφαλικών περιοχών (π.χ θήτα ρυθμοί απο τον ιππόκαμπο ή το θάλαμο ρυθμίζουν τυς ρυθμούς γάμμα στο φλοιό) παίζουν ρόλο σε γνωστικές (cognitive) λειτουργίες, μνήμη.

53 Κατα τη σχιζοφρένεια παρατηρούνται αλλαγές στα κύττρα PV Στα καντηλοειδή PV κύτταρα Στις συνάψεις (αξο-αξονικες) καντηλοειδών (προσυναπτ.) με τα πυραμιδικά (μετασυναπτ.) κύτταρα μειώνεται ο μεταφορέας του GABA GAT1 και επίσης αυξάνεται η υπομονάδα α2 των μετασυναπτικών υποδοχέων GABAA Τα καντηλοειδή PV κύτταρα μέσω της GABAεργικής νευροδιαβίβασης εκπολώνουν τους άξονες των πυραμιδικών κυττάρων. Άρα, κατά τη σχιζοφρένεια τα καντηλοειδή κύτταρα αυξάνουν τη διεγερσιμότητα των πυραμιδικών.

54 Κατα τη σχιζοφρένεια παρατηρούνται αλλαγές στα κύττρα PV Στα καλαθοειδή PV κύτταρα Στις συνάψεις (αξο-σωματικές) μεταξύ των καλαθοειδών PV και πυραμιδικών κυττάρων παρατηρείται μείωση του GAD67 αλλα και μείωση της υπομονάδας α1 του υποδοχέα GABAA Το αποτέλεσμα αυτών των αλλαγών είναι η μείωση της αναστολής (= αυξηση της διεγερσιμότητας των πυραμιδικών κυττάρων)

55 Τι προκαλεί αυτές τις μεταβολές; Οι μεταβολές στη διεγερσιμότητα των πυραμιδικών μέσω των μεταβολών στο σύστημα GABA, πιστεύεται ότι είναι αντισταθμιστικές ρυθμίσεις στη μειωμένη γλουταμινεργική δραστηριότητα (υπόθεση γλουταμινικής υπολειτουργίας) του προμετωπιαίου φλοιού Πώς προκαλούνται αυτές οι μεταβολές; Συμμετέχει ο νευροτροφικός παράγοντας BDNF μέσω του υποδοχέα του TrkB στα κύτταρα PV Ποιο το αποτελέσμα αυτών των μεταβολών; Παρόλο που με τις αντισταθμιστικές ρυθμίσεις η ισορροπία μεταξύ της διεγερσης και αναστολής στα πυραμιδικά κύτταρα αποκαθίσταται, στερείται της δύναμης για την δημιουργία επαρκών ρυθμών γάμμα με αποτέλεσμα την απώλεια γνωστικού ελέγχου.

56 ντοπαμίνη γλουταμινικό/nmda GABA γονίδια περιβάλλον