Přejít na obsah
 
Mezinárodní společnost pro Parkinsonovu chorobu a poruchy pohybu

Zvířecí modely prodromální Parkinsonovy choroby

Datum: dubna 2022 
Připravil člen SIC: Abby L. Olsen, MD, PhD  
Autoři: Nathalie Van Den Berge, PhD; Per Borghammer, MD, PhD, DMSc; Hodaka Yamakado, MD, PhD  
Editor:  Lorraine Kalia, MD, PhD 

 

Zvířecí modely mohou poskytnout důležité poznatky o progresi onemocnění a potenciální léčbě prodromální fáze Parkinsonovy choroby (PD). Nedávný pokrok ve vývoji genetických modelů i modelů s α-synukleinovým očkováním vedl k objevům specifickým pro prodromální fázi PD. Dr. Van Den Berge, Dr. Borghammer a Dr. Yamakado poskytují obraz o současném stavu v oboru.  
 

Úvod

Dr. Van Den Berge & Borghammer:
Od objevu, že snížená hladina dopaminu vede k motorickým symptomům Parkinsonovy choroby (PCH), se mnoho zvířecích modelů zaměřilo na zopakování ztráty dopaminu v substantia nigra pomocí neurotoxinů. To vedlo k poznatkům o dopaminergních drahách v mozku a také k vývoji levodopy a dalších symptomatických léčebných postupů pro motorické projevy. V posledních desetiletích jsme si však uvědomili, že PCH je ve skutečnosti multisystémové onemocnění postihující více neuronálních systémů v mozku a periferních orgánech. Důležité je, že periferní nervový systém (PNS) se zdá být u mnoha pacientů postižen dříve než centrální nervový systém (CNS). To se promítá do heterogenní prodromální fáze onemocnění se širokou škálou nemotorických symptomů, jako je zácpa, hyposmie, poruchy spánku včetně poruchy chování v REM spánku (RBD) a ortostatická hypotenze. Tyto prodromální symptomy se mohou objevit až 20 let před výskytem motorických symptomů (když se v mozku ztratí > 50 % dopaminu). Dosud neexistuje žádný lék na PCH. Vzhledem k tomu, že přítomnost nemotorických symptomů v rané fázi onemocnění může poskytnout široké okno pro intervenci, potřebujeme komplexní zvířecí modely, které napodobují periferní patologii a prodromální symptomy pozorované u lidské prodromální Parkinsonovy choroby, abychom mohli identifikovat nové cíle léčby modifikující onemocnění.   
 

Jaké jsou dostupné zvířecí modely pro zácpu, hyposmii, poruchy spánku nebo jiné prodromální příznaky Parkinsonovy choroby? 

Dr. Van Den Berge & Borghammer:
Prodromální příznaky Parkinsonovy choroby mohou souviset s akumulací patologie α-synukleinu v periferních orgánech, jako je střevo (zácpa), srdce a autonomní ganglia (ortostatická hypotenze), kůže (suchá kůže nebo nadměrné pocení) nebo struktury dolního mozkového kmene (poruchy spánku). Modelování určitého prodromálního symptomu Parkinsonovy choroby u zvířat lze proto provést indukcí patologie α-synukleinu v souvisejícím orgánu nebo struktuře. Lokální indukce patologie lze dosáhnout podáním (1) rekombinantních α-synukleinových semen, (2) neurotoxinu, (3) nadměrné exprese α-synukleinu pomocí virových vektorů nebo (4) transgenních modelů nebo jejich kombinací. α-synuklein se může šířit transsynapticky podél autonomního konektomu, čímž ovlivňuje více orgánů.1V důsledku toho zvíře obvykle vykazuje širokou škálu prodromálních symptomů během několika měsíců po indukci patologie α-synukleinem v určitém orgánu.  

V letech 2010 a 2014 poskytly dva zásadní články první důkazy o věrohodnosti Braakovy hypotézy o střevech na zvířatech.2, 3Od té doby bylo provedeno několik studií zaměřených na modelování prodromální Parkinsonovy choroby v horní části gastrointestinálního traktu u zvířat se zaměřením na prodromální dysfunkci střeva.1, 4, 5Souběžně s tím byla zkoumána alternativní možná iniciační místa pro modelování dalších nemotorických symptomů. Cílené očkování autonomních ganglií u myší může napodobit... ortostatická hypotenze, hyposmiea zácpa bez přítomnosti motorických příznaků6A cílené očkování struktur dolních mozkových kmenů může modelovat prodromální úzkost, depresi a RBD. Konkrétněji řečeno, cílené očkování sublaterodorsálního tegmentálního jádra uprostřed mozkového kmene indukovalo časné chování podobné RBD s pozdější depresí, hyposmií, dysmotilitou střeva a nakonec motorickou dysfunkcí.7. 

Transgenní hlodavci s bakteriálním umělým chromozomem (BAC), kteří exprimují lidský α-synuklein, navíc vykazují prodromální příznaky, jako je dysfunkce podobná RBD bez atonie a hyposmie, a později dopaminergní degenerace8, 9Podobně transgenní myši s genem BAC s nadměrnou expresí mutantního α-synukleinu A30P vykazují časnou akumulaci α-synukleinu ve střevě, která je spojena s dysmotilitou střeva a molekulárními dysregulacemi ve střevě, a to ještě před motorickou dysfunkcí.10Konečně, široká škála environmentálních toxinů (jako je rotenon2 nebo bakterie produkující amyloid11) se používají k vyvolání střevního zánětu a k rekapitulaci klinických neurozánět a prodromální dysfunkce střeva12. 
 

Dr. Yamakado:
Mnoho modelů hlodavců vykazuje jednotlivé nemotorické příznaky Parkinsonovy choroby.13a tyto myši jsou užitečné při vývoji symptomatických terapií zaměřených na ně. Existuje však jen málo zvířecích modelů, u kterých více nemotorických symptomů předchází ztrátě dopaminergních (DA) neuronů nebo motorickým symptomům a jsou doprovázeny agregací α-synukleinu, jak je pozorováno v případech Parkinsonovy choroby. Jedním z nejúspěšnějších modelů jsou myši, kterým byly do gastrointestinálního (GI) traktu injikovány preformované fibrily (PFF) α-synukleinu. Vykazují dysfunkci GI, následovanou zvýšenou úzkostí a ztrátou DA neuronů, ačkoli čichová dysfunkce se objevuje později.5Myši, kterým byly injikovány PFF do oblasti zodpovědné za RBD, také vykazují chování podobné RBD, následované sníženým čichem, dysfunkcí gastrointestinálního traktu a motorickými deficity.7V genetickém modelu vykazují transgenní myši s bakteriálním umělým chromozomem (BAC) exprimující lidský α-synuklein pod jeho nativním promotorem hyposmii a RBD, následovanou ztrátou DA neuronů.8Unikátním modelem je model deficitu VMAT2, který ukazuje zvýšenou agregaci α-synukleinu a progresivní ztrátu DA neuronů spolu se sníženým čichem a zvýšenou úzkostí.14. 
 

Co jsme se naučili ze zvířecích modelů? 

Dr. Van Den Berge & Borghammer:
Tyto nové modely, jejichž cílem je reprodukovat prodromální PD, se zabývají molekulárními a buněčnými mechanismy zapojenými do iniciace patologie a jejího šíření do specifických oblastí mozku a orgánů. Je důležité poznamenat, že modelování prodromální PD není absolutní a v průběhu progrese onemocnění dochází k překrývajícím se fenotypům napříč různými modely PD. Časový vzorec výskytu prodromálních symptomů se však zdá být spojen s místem indukce patologie α-synukleinem. Například iniciace onemocnění ve střevě povede k dysfunkci střeva před dalšími autonomními poruchami a naopak, pokud je onemocnění iniciováno v autonomních gangliích. Navíc se zdá, že všechny modely periferního očkování indukují podobné rozložení patologie v CNS bez ohledu na místo jejich periferní iniciace. To není překvapivé, protože šíření patologie z těla do mozku je přenášeno parasympatickými a sympatickými nervy, které vstupují do mozku bilaterálně. Po bilaterální invazi patologie do dolních struktur mozkového kmene patologie dále postupuje bilaterálně v mozku předvídatelným způsobem (Braakovy fáze PD). Naproti tomu modely s unilaterální iniciací onemocnění v mozku jsou charakterizovány převažujícím unilaterálním šířením patologie a neurodegenerace. Patologický vzorec v těchto modelech závisí na mozkové struktuře, kde byla patologie zahájena.12Tato pozorování by mohla osvětlit dosud nevysvětlenou záhadu asymetrických motorických symptomů u Parkinsonovy choroby.15Stručně řečeno, pokud první patologie u některých pacientů začne v jedné hemisféře a poté se rozšíří podle neuronální sítě, výsledná asymetrie v distribuci patologie povede k počáteční asymetrické ztrátě dopaminových buněk, a tedy k asymetrickým motorickým symptomům. Kontrolované experimentální podmínky na hlodavčích modelech umožnily zkoumání kauzality a interakcí spouštěcích faktorů patologie, jako je střevní mikrobiom, střevní propustnost a zánět.12. 
 

Dr. Yamakado:
Fenotyp zvířecích modelů jednoduše závisí na místě injekce v modelu propagace α-synukleinu nebo virovém modelu a na promotoru použitém v genetickém modelu. Pro věrné znázornění celého přirozeného průběhu lidské Parkinsonovy choroby, včetně prodromální fáze, je nutné pochopit patogenezi a přesně ji reprodukovat. Takový model, který dosud není k dispozici, by odpověděl na následující otázky: 

  • Mohou intervence zaměřené na prodromální příznaky, zejména na poruchy trávicího traktu nebo spánku, změnit přirozený průběh onemocnění? 
  • Jakou roli hraje zánět a aktivace imunitního systému, o kterých se předpokládá, že v symptomatické fázi způsobují škodu, v prodromální fázi? 
  • Mohou být terapeutika, která selhala v předchozích preklinických nebo klinických studiích, účinná, pokud jsou podána v prodromální fázi? 
     

Co se nám nedaří adekvátně modelovat?  

Dr. Van Den Berge a Dr. Borghammer:
Tradiční modely dopaminových lézí se zaměřují na jeden jediný rys Parkinsonovy choroby (PD), a to depleci dopaminu a související motorické symptomy v pozdním stádiu onemocnění. Díky znalostem získaným z bohatství studií dopaminových lézí jsme nyní schopni motorické symptomy PD poměrně dobře léčit. Pokud však chceme najít lék na PD, měli bychom se zaměřit na rozluštění multifaktoriální složitosti PD v rané prodromální fázi onemocnění. V této fázi vykazuje dopaminový systém minimální nebo žádné poškození a včasný zásah by mohl oddálit nebo ideálně zastavit další progresi onemocnění. V posledním desetiletí jsme dosáhli velkého pokroku v rekapitulaci lidské prodromální PD s kardinálními rysy onemocnění, které nejsou v tradičních modelech dopaminových lézí zastoupeny, jako je iniciace a šíření patologie α-synukleinu, postižení více orgánů a fenotyp premotorického onemocnění. Tyto nové zvířecí modely prodromální PD poskytly vynikající platformu pro zkoumání vazby mezi tělem a mozkem v patogenezi PD z kauzálního a mechanistického hlediska. Pro přesnější rekapitulaci lidské PD však zbývá řešit základní aspekty onemocnění: 

  • Zaprvé, prodromální příznaky se u lidské Parkinsonovy choroby objevují ve specifickém pořadí, které může záviset na místě vzniku onemocnění.15, 16Striatální a intramuskulární injekce se staly oblíbenými metodami pro výzkum Parkinsonovy choroby (PD) s využitím zvířecích modelů, avšak tyto cíle pravděpodobně nereprezentují místo iniciace PD u lidí. Budoucí studie na zvířatech by mohly prozkoumat realističtější cíle pro iniciaci onemocnění (jako je amygdala, čichový bulb nebo střevo) k modelování postupného výskytu prodromálních symptomů, jak je pozorováno u lidských podtypů PD.12, 15, 16.  
  • Za druhé, věk je největším rizikovým faktorem Parkinsonovy choroby. Většina studií však používá mladá zvířata, čímž ignoruje selhávání buněčných systémů související s věkem a další hrající roli mechanismy. Důležité je, že studie validace léčby přímo porovnávající mladá a stará zvířata ukázaly, že léčba je u starších zvířat méně účinná. Je možné, že téměř výhradní použití mladých zvířat v preklinickém výzkumu Parkinsonovy choroby může přispět k pokračujícím neuspokojivým výsledkům v translačních studiích validace léčby.  
  • Za třetí, je třeba dále prozkoumat zahrnutí dalších faktorů přispívajících k onemocnění, jako je mitochondriální dysfunkce, dysregulace vápníku, lysozomální dysfunkce, střevní mikrobiom a zánět, ve spojení s modely šíření α-synukleinů, aby se odhalily interakce mezi těmito mnoha potenciálně onemocnění způsobujícími faktory. Zdá se stále pravděpodobnější, že k dosažení cíle modifikace onemocnění u Parkinsonovy choroby může být zapotřebí personalizovaný „koktejl“ léků cílících současně na různé patogenní mechanismy. 
     

Dr. Yamakado:
Celý přirozený průběh Parkinsonovy choroby, od prodromální fáze až po symptomatickou fázi, ve které se objevují motorické příznaky, nebyl plně reprodukován. Genetické modely se zaměřují na nástup onemocnění, ale zřídka vedou k úmrtí DA neuronů a motorickým příznakům. Naproti tomu některé modely šíření α-synukleinu vykazují robustní šíření a úmrtí DA neuronů, ale přeskakují nejdůležitější počáteční patologickou událost, tj. tvorbu agregátů α-synukleinu. Abychom zaplnili mezeru v těchto modelech, měli bychom se zabývat následujícími otázkami:  

  • Jaké faktory prostředí nebo genetické faktory produkují agregáty α-synukleinu s vysokou aktivitou seedování, jako je tomu u lidské Parkinsonovy choroby? 
  • Co řídí progresi onemocnění v prodromální fázi? 
     

Shrnutí 

  • Modely prodromálního Parkinsonovy choroby se v posledních letech výrazně posunuly vpřed, což vedlo k novým poznatkům a chápání, ale stále existuje mnoho nevyřešených otázek. 
  • Nové modely využívají metody očkování α-synukleinem a genetické přístupy k replikaci prodromálních symptomů podobných těm, které se vyskytují u lidí.  
  • Tyto modely pomohly propojit časovou osu patologie s progresí onemocnění.  
  • Je zapotřebí dalšího úsilí k plnému zohlednění progrese motorických symptomů, realistických míst zahájení onemocnění, rizikového faktoru věku a dalších faktorů přispívajících k onemocnění. 
     

Reference 

1. Van Den Berge N, Ferreira N, Mikkelsen TW, et al. Stárnutí podporuje patologickou propagaci alfa-synukleinů a autonomní dysfunkci u potkanů ​​divokého typu. Brain 2021;144(6):1853-1868. 

2. Pan-Montojo F, Anichtchik O, Dening Y a kol. Progrese patologie Parkinsonovy choroby je reprodukována intragastrickým podáním rotenonu u myší. PLoS One 2010;5(1):e8762. 

3. Holmqvist S, Chutna O, Bousset L a kol. Přímý důkaz šíření Parkinsonovy patologie z gastrointestinálního traktu do mozku u potkanů. Acta Neuropathol 2014;128(6):805-820. 

4. Van Den Berge N, Ferreira N, Gram H, et al. Důkazy o obousměrném a transsynaptickém parasympatickém a sympatickém šíření alfa-synukleinu u potkanů. Acta Neuropathol 2019;138(4):535-550. 

5. Kim S, Kwon SH, Kam TI a kol. Transneuronální šíření patologického alfa-synukleinu ze střeva do mozku u modelů Parkinsonovy choroby. Neuron 2019;103(4):627-641 e627. 

6. Wang XJ, Ma MM, Zhou LB a kol. Autonomní gangliová injekce alfa-synukleinových fibril jako model čisté autonomní selhání alfa-synukleinopatie. Nat Commun 2020;11(1):934. 

7. Shen Y, Yu WB, Shen B a kol. Propagovaná alfa-synukleinopatie rekapituluje poruchu chování v REM spánku následovanou parkinsonskými fenotypy u myší. Brain 2020;143(11):3374-3392. 

8. Taguchi T, Ikuno M, Hondo M a kol. Transgenní myši s alfa-synukleinem BAC vykazují chování podobné RBD a hyposmii: prodromální model Parkinsonovy choroby. Brain 2020;143(1):249-265. 

9. Nuber S, Harmuth F, Kohl Z a kol. Progresivní dopaminergní fenotyp spojený s neurotoxickou konverzí alfa-synukleinu u BAC-transgenních potkanů. Brain 2013;136(část 2):412-432. 

10. Gries M, Christmann A, Schulte S a kol. Myši s Parkinsonovou chorobou vykazují funkční a molekulární změny ve střevě dlouho před nástupem motorického onemocnění. Mol Neurodegener 2021;16(1):34. 

11. Chen SG, Stribinskis V, Rane MJ a kol. Expozice funkčnímu bakteriálnímu amyloidnímu proteinu Curli zvyšuje agregaci alfa-synukleinu u starých krys kmene Fischer 344 a Caenorhabditis elegans. Sci Rep 2016;6:34477. 

12. Van Den Berge N, Ulusoy A. Zvířecí modely Parkinsonovy choroby s postižením mozku a těla. Neurobiol Dis 2022;163:105599. 

13. Taguchi T, Ikuno M, Yamakado H, Takahashi R. Zvířecí model prodromální Parkinsonovy choroby. Int J Mol Sci 2020;21(6). 

14. Taylor TN, Caudle WM, Shepherd KR a kol. Nemotorické příznaky Parkinsonovy choroby zjištěné u zvířecího modelu se sníženou kapacitou ukládání monoaminů. J Neurosci 2009;29(25):8103-8113. 

15. Borghammer P. Původ alfa-synukleinu a konektomový model (SOC model) Parkinsonovy choroby: Vysvětlení motorické asymetrie, nemotorických fenotypů a kognitivního poklesu. J Parkinsons Dis 2021;11(2):455-474. 

16. Borghammer P, Van Den Berge N. Parkinsonova choroba s postižením mozku vs. Parkinsonova choroba s postižením střev: Hypotéza. J Parkinsons Dis 2019;9(s2):S281-S295.