Proteinklumpar i nervsystemet – en mekanism bakom flera sjukdomar

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

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

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
180 000 personer med demens, varav cirka 60 000 har Alzheimer. Ungefär
7 500 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

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

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

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

]
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

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 60-80 % 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