„Neurotoksyny a choroba Parkinsona” -  prof. dr hab. Lucyna Antkiewicz-Michaluk

(Pracownia Badań Receptorowych i Metabolizmu Neuromediatorów, Instytut Farmakologii PAN w Krakowie )

 

            Przyczyna idiopatycznego zespołu parkinsonowskiego jest nieznana. Choroba Parkinsona w 70% przypadków rozpoczyna się między 55 a 70 rokiem życia i występuje z podobną częstością u mężczyzn i kobiet. Wraz z przedłużaniem się życia człowieka wzrasta zapadalność i rozpowszechnienie tej choroby w populacji. W chorobie Parkinsona ma miejsce ogniskowy zanik neuronów dopaminowych zawierających melaninę w części zbitej istoty czarnej (SN_c). Choroba Parkinsona była pierwszą chorobą ośrodkowego układu nerwowego (OUN) dla której opisano podłoże biochemiczne [11]. Ponieważ transport dopaminy do prążkowia następuje drogą neuronów dopaminergicznych, w wyniku procesu zwyrodnieniowego istoty czarnej dochodzi tam do silnych nawet 90% spadków poziomu dopaminy. Jakkolwiek silne ubytki dopaminy w jądrach układu pozapiramidowego są bez wątpienia główną przyczyną wystąpienia klinicznych objawów parkinsonizmu idiopatycznego, to jednak badania wielu autorów wskazują, także na zwyrodnienia komórek barwnikowych w obszarze miejsca sinawego (LC), gdzie zlokalizowane są skupiska komórek noradrenergicznych [2, 8]. Uważa się, że uszkodzenie układu noradrenergicznego wiąże się z objawami depresji oraz narastającymi objawami otępiennymi u pacjentów z chorobą Parkinsona. Wykazano też eksperymentalnie, że uszkodzenie LC hamuje syntezę dopaminy w prążkowiu, natomiast drażnienie tej struktury nasila aktywność neuronów dopaminergicznych. Jakkolwiek zaburzenia motoryczne w chorobie Parkinsona są spowodowane przede wszystkim ubytkami neuronów dopaminowych w strukturach układu pozapiramidowego to można także sądzić na podstawie opublikowanych badań, że struktura noradrenergiczna LC jest niezbędna dla prawidłowej funkcji neuronów dopaminowych.

            Badania ostatnich lat rzuciły nowe światło na możliwą przyczynę szeregu poważnych schorzeń neurodegeneracyjnych w tym i chorób: Alzheimera, Parkinsona, Huntingtona a nawet padaczki. Wydaje się, że u ich podłoża leży zjawisko ekscytotoksyczności. Ekscytotoksyczność oznacza zabijanie komórek nerwowych przez nadmierny napływ Ca²⁺ do ich wnętrza. Konsekwencją ekscytotoksyczności jest w bardzo wielu przypadkach programowana śmierć komórki - czyli apoptoza. Tak więc, choroba Parkinsona może być związana z procesem apoptozy indukowanej przez nieznane do tej pory czynniki, zarówno zewnętrzne jak i wewnętrzne [1, 13].

 

APOPTOZA

            W pewnym uproszczeniu można wyróżnić dwa rodzaje śmierci komórki - apoptozę i nekrozę. Nekroza polega na mechanicznym uszkodzeniu komórki, której zniszczeniu towarzyszy zawsze proces zapalny.

Apoptoza w idealnej postaci odbywa się bez reakcji zapalnej i polega na uruchomieniu w komórce programu samobójczej śmierci. Apoptozę możemy podzielić na fizjologiczną oraz indukowaną przez szereg czynników. Fizjologiczne zjawisko śmierci programowanej znane jest od wczesnych lat siedemdziesiątych i poświęcono mu w ostatnich latach bardzo wiele uwagi. Za nieodzowny element takiego programu uważa się pobudzenie w komórce maszynerii biochemicznej, której docelowymi komponentami są enzymy hydrolityczne rozkładające makrocząsteczki. Komórka umierająca śmiercią apoptotyczną charakteryzuje się pewnymi cechami morfologicznymi, biochemicznymi i genetycznymi, które odróżniają ją od komórki prawidłowej lub nekrotycznej. Chromatyna komórki apoptotycznej ulega marginalizacji i fragmentacji. Komórka kurczy się na skutek utraty wody i z czasem rozpada się na ciała apoptotyczne. Bardzo często do zajścia apoptozy niezbędna jest aktywacja genów i synteza białka de novo. Apoptozę mogą wywołać bardzo różnorodne czynniki, u podstaw działania których leżą różne mechanizmy. Oznacza to, że istnieje bardzo wiele dróg, które prowadzą do zmian morfologicznych, charakteryzujących komórkę apoptotyczną.

Czynniki indukujące apoptozę:

• Zaburzenia homeostazy Ca²⁺
• Neurotransmitery (dopamina, aminokwasy pobudzające)
• Czynniki neurotoksyczne (np. 6-OHDA, MPTP, THIQ)
• Wolne rodniki (H₂O₂, OH^., NO^.)
• Uszkodzenie mitochondriów

Ca²⁺ jako pierwiastek życia i śmierci

Udział Ca²⁺ w apoptozie jest bezsporny. Bierze on udział we wszystkich etapach apoptozy, jakkolwiek jego nadmiar prowadzić może również do zjawiska nekrozy. Ca²⁺ jak dobrze wiemy pełni rolę fizjologiczną w komórce, jest wewnątrzkomórkowym regulatorem wielu procesów fizjologicznych (uwalnianie neurotransmiterów, hormonów, aktywowanie wielu enzymów, itd.) jednakże, jego nadmiar w komórce prowadzi do nieodwracalnych uszkodzeń i w konsekwencji do śmierci komórki. Stężenie Ca²⁺ na zewnątrz komórki nerwowej jest wielokrotnie wyższe (stężenia mM) niż w jej wnętrzu (od nM do niskich m M). Dlatego też, poziom Ca²⁺ w komórce jest ściśle regulowany przez kanały wapniowe zależne od potencjału (napięciowo-zależne kanały Ca²⁺) oraz receptory jonotropowe (NMDA, KA) transportujące go z zewnątrz, a także przez system przedziałowości wewnątrzkomórkowej, gdzie jego nadmiar magazynowany jest w mitochondriach, siateczce endoplazmatycznej oraz jądrze. W momencie naruszenia homeostazy wapniowej następuje niekontrolowany wypływ Ca²⁺ z przedziałów komórkowych oraz wzrost jego napływu z przestrzeni zewnątrzkomórkowej do wnętrza komórki. Sugeruje się nawet, że śmierć przez apoptozę większości umierających neuronów odbywa się właśnie na skutek utraty przez te komórki zdolności do regulacji poziomu wewnątrzkomórkowego wapnia. Hipoteza "śmierci wapniowej" postuluje występowanie w umierających neuronach zjawiska aktywacji przez Ca²⁺ procesu transkrypcji tzw. "genów śmierci komórkowej". Wydaje się, że wszystkie wymienione powyżej czynniki indukujące apoptozę prowadzą w konsekwencji do poważnych zaburzeń homeostazy Ca²⁺ w komórce.

Dopamina jako możliwy czynnik neurotoksyczny

Zarówno enzymatyczne utlenianie dopaminy (DA) przy udziale monoaminooksydazy typu B (MAO_B ) jak i samoutlenianie DA prowadzi do powstawania nadtlenku wodoru (H₂0₂), niebezpiecznej substancji będącej źródłem najbardziej toksycznego wolnego rodnika hydroksylowego (OH^.). Reakcja enzymatyczna z DA jako substratem przebiega według schematu:

                         MAO_B          

DA + O₂ + H₂O          aldehyd 3,4-dwuhydroksyfenylooctowy (DOPAC) + NH₃ + H₂0₂

Tak więc, utlenianiu DA towarzyszy tworzenie się H₂0₂ związku, który jest warunkiem powstania wolnego rodnika 0H^. . Wolny rodnik 0H^. powstaje w reakcji Fentona:

(Fe²⁺ + H₂0₂ Fe³⁺ + OH^- + OH^.)

W reakcji tej powstaje także jon hydroksylowy - OH^-, który jednak jest nieporównywalnie mniej toksyczny (10¹⁴) od rodnika hydroksylowego. Istotną rolę w reakcji Fentona odgrywa żelazo. Źródłem żelaza może być neuromelanina lub ferrytyna. Należy przy tym podkreślić, że zanik komórek dopaminergicznych w przebiegu choroby Parkinsona dotyczy właśnie komórek zawierających neuromelaninę [6, 7], co sugeruje, że Fe²⁺ niezbędne dla przebiegu reakcji Fentona może być z niej uwalniane przez nieznane czynniki toksyczne. Tak więc, w procesie metabolizmu DA dochodzi do wytwarzania toksycznego rodnika hydroksylowego, który jest poważnym zagrożeniem dla komórek nerwowych, prowadząc do ich uszkodzenia oraz śmierci w procesie apoptozy. Jak wykazały badania eksperymentalne u szczurów z uszkodzeniem neuronów istoty czarnej zwiększone poziomy metabolitów dopaminy, DOPAC i HVA opisywano w przeżywających zakończeniach w prążkowiu, jeżeli poziom uszkodzeń przekraczał od 60-80%. Doświadczenia z uszkodzeniami u szczurów przypominają sytuację w chorobie Parkinsona, w której klasyczne objawy - drżenie spoczynkowe i sztywność, pojawiają się dopiero wówczas, gdy utraconych jest około 70-80% neuronów nigrostriatalnych. Sytuacja w przebiegu choroby Parkinsona u człowieka wygląda podobnie: system dopaminowy broni się przed skutkami deficytu neuromediatora zwiększając obrót dopaminy. Badania przeprowadzone post mortem w mózgach parkinsoników wykazały specyficzne, wielokrotne nasilenie metabolizmu dopaminy w strukturach układu pozapiramidowego, ale nie limbicznego [2]. Zwiększony obrót dopaminy w chorobie Parkinsona powoduje zwiększoną produkcję H₂O₂, a w związku z tym wzrasta stężenie działającego neurotoksycznie rodnika OH^.. Cohen postulował, że zwiększone uwalnianie, wychwyt i presynaptyczny obrót dopaminy może przyczyniać się do postępującej destrukcji neuronów nigrostriatalnych, obserwowanej w chorobie Parkinsona [9]. Innym charakterystycznym zaburzeniem obserwowanym w chorobie Parkinsona mogącym prowadzić również do zwiększonej produkcji H₂O₂ i w konsekwencji indukowania procesu apoptozy jest zahamowanie kompleksu I w mitochondriach komórek istoty czarnej [18]. Zahamowanie prawidłowej czynności kompleksu I w chorobie Parkinsona dotyczyć ma jedynie mitochondriów komórek istoty czarnej zbitej (SN_c) i nie występuje w innych strukturach (jądro ogoniaste, skorupa, gałka blada) ani też w innych chorobach zwyrodnieniowych o podobnej do choroby Parkinsona symptomatologii np. zwyrodnienie

wieloukładowe.

Pochodne tetrahydroizochinoliny - możliwe endogenne neurotoksyny

Ostatnio w literaturze światowej sugeruje się, że u podstaw parkinsonizmu mogą leżeć procesy neurodegeneracyjne wywołane przez neurotoksyczne substancje endogenne [14, 17]. Są to związki z grupy izochinoliny, bardzo zbliżone strukturą chemiczną do znanej egzogennej toksyny 1-metylo-4-fenylo-1,2,3,6-tetrahydropirydyny (MPTP). Udowodniono, że MPTP wywołuje u ludzi i zwierząt objawy charakterystyczne dla choroby Parkinsona z neurodegeneracją komórek DA w obrębie szlaku czarno-prążkowiowego. Podstawową rolę w neurotoksycznym działaniu MPTP ogrywa jego metabolit jon MPP⁺, powstały w komórkach glejowych pod wpływem MAO_B. Jest on wychwytywany specyficznie przez neurony DA szlaku czarno-prążkowiowego, a następnie wiąże się z neuromelaniną obecną w komórkach DA SN_c, gdzie w wyniku akumulacji prowadzi do ich zniszczenia . Innym równie istotnym mechanizmem uruchamianym przez MPP⁺ i prowadzącym do śmierci komórek komórek DA w SN_c jest: nasilone uwalnianie DA z zakończeń, uwalnianie żelaza z neuromelaniny, generowanie wolnych rodników (OH^.) a także hamowanie kompleksu I mitochondriów, co w konsekwencji prowadzi do apoptozy [10, 12]. Neurotoksyczne działanie MPTP blokowane jest całkowicie przez inhibitory MAO_B np_. selegilinę. Endogenne tetrahydroizochinoliny są zbliżone w swojej budowie chemicznej i procesie tworzenia neurotoksycznych jonów do egzogennej toksyny MPTP. Powstają w ośrodkowym układzie nerwowym (OUN) przez kondensację amin katecholowych z aldehydem octowym w reakcji Picket-Spenglera. I tak, wykazano, że DA kondensując z aldehydem octowym może tworzyć salsolinol: 1-metylo-6,7-dihydroksy-1,2,3,4-tetrahydroizochinolinę. Nasze badania wykazały, że u osób cierpiących na chorobę Parkinsona salsolinolu w płynie mózgowo-rdzeniowym jest dobrze skorelowane ze stopniem upośledzenia ruchowego i stopniem zaawansowania choroby [3]. W wyniku kondensacji innych amin tworzą się w mózgu różne tetrahydroizochinoliny. Ich N-metylacja przy udziale N-metylotransferazy i oksydacja przy udziale MAO_B prowadzi podobnie jak w przypadku MPTP do tworzenia jonów N-metyloizochinolinowych, które mają własności neurotoksyczne, chociaż znacznie słabsze. Biologicznie aktywne tetrahydroizochinoliny obudziły duże zainteresowanie, kiedy zorientowano się, że mogą powodować w badaniach eksperymentalnych na zwierzętach symptomy funkcjonalne takie jak sztywność mięśniową oraz biochemiczne (spadki poziomu dopaminy w SN) charakterystyczne dla choroby Parkinsona. Tetrahydroizochinoliny, których wiele znaleziono w mózgu po przejściu w N-metylowe jony izochinolinowe są silnymi inhibitorami kompleksu I, a w związku z tym mogą być przyczyną niedoczynności mitochondriów występującej w chorobie Parkinsona [16]. W badaniach eksperymentalnych wykazano, że izochinoliny powstałe z katecholamin (np. N-metylo-salsolinol) mogą inicjować proces apoptozy w neuronach dopaminowych poprzez produkcję wolnych rodników głównie najbardziej toksycznego rodnika OH^. . Badania "in vitro" wykazały, że antyoksydanty takie jak witamina C, witamina E hamują produkcję rodnika OH^. przez N-metyl-salsolinol [15]. Należy zaznaczyć, że działanie neurotoksyczne i hamujące aktywność mitochondriów mają przede wszystkim N-metylowe jony izochinolinowe, które w przeciwieństwie do MPTP oprócz konieczności działania MAO_B, wymagają wcześniej N-metylacji przy udziale N-metylotransferazy. Enzym ten w OUN ma niewielką aktywność i występuje tylko w niektórych strukturach (najwyższe stężenia stwierdzono w istocie czarnej i miejscu sinawym). Fakt ograniczonej dostępności N-metylotransferazy może tłumaczyć znacznie mniejszą neurotoksyczność tetrahydroizochinolin [4] w porównaniu z silnie neurotoksycznym związkiem pokrewnym MPTP, który w wyniku działania tylko jednego, powszechnie występującego w OUN enzymu MAO_B, przechodzi w neurotoksyczny jon MPP⁺. Inne izochinoliny np. 1-metylo-1,2,3,4-tetrahydroizochinolina (1Me-TIQ) może mieć działanie neuroprotekcyjne, jest bowiem zmiataczem wolnych rodników [19]. 1Me-TIQ może wyrównywać zaburzenia w aktywności enzymów metabolizujących dopaminę, i równocześnie biorących udział w metabolizmie tetrahydroizochinolin i zapobiegać powstawaniu neurotoksycznych produktów tych przemian [5]. 1Me-TIQ swoje działanie neuroprotekcyjne wykazane w badaniach eksperymentalnych może wywierać dwoma mechanizmami: jest zmiataczem wolnego rodnika hydroksylowego oraz nasila syntezę czynników neurotroficznych, NGF i BDNF [20].

PRÓBY LECZENIA PRZYCZYNOWEGO - NEUROPROTEKCJA

Jakkolwiek dokładny patomechanizm zwyrodnienia komórek istoty czarnej w chorobie Parkinsona nie jest jasny, zakłada się że wolne rodniki i zaburzenia mitochondrialne odgrywają w nim podstawową rolę i indukują proces apoptozy. Metody leczenia objawowego nie przyczyniają się jednak do zatrzymania procesu śmierci dopaminowych komórek nerwowych, dlatego obecne poszukiwania zahamowania lub zwolnienia tempa postępu choroby ukierunkowują się na leki o działaniu antyapoptotycznym:

·         antyoksydanty (glutation GSH, witamina E, witamina C, b -karoten, koenzym Q)

·         inhibitory MAO_B (selegilina, budypina ) - hamujące powstawanie H₂0₂ oraz podnoszące poziom endogennej substancji neuroprotekcyjnej 1Me-TIQ

·         leki dopaminergiczne (bromokryptyna, lizuryd, apomorfina, pramipeksol)

·         hamujące aktywność neuronów glutaminianergicznych - antagoniści NMDA (amantadyna , budypina)

·         zmiatacze wolnych rodników ( kwas acetylosalicylowy, apomorfina, bromokryptyna)

Wydaje się, że w chorobach neurodegeneracyjnych należy także zwrócić szczególną uwagę na odpowiednią dietę bogatą w związki i witaminy o działaniu przeciwutleniającym i wspomagających funkcję jedynego obecnego w OUN endogennego, potężnego zmiatacza wolnych rodników jakim jest zredukowany glutation (GSH). Utrzymywanie równowagi pomiędzy powstawaniem wolnych rodników, a ich unieczynnianiem (wymiataniem) jest sprawą niezwykle istotną dla komórek nerwowych i glejowych. W komórce gdzie toczy się prawdziwa wojna z użyciem środków trujących, najważniejszym fizjologicznym antyoksydantem jest glutation. Ten silny antyutleniacz jest trójpeptydem zawierającym siarkę i jest wytwarzany w organiżmie z trzech aminokwasów: cysteiny, kwasu glutaminowego i glicyny. Zredukowany glutation (GSH) jest kluczowym składnikiem w neutralizacji H₂O₂ w tłuszczach i w samym cyklu glutationowym. Organizm nie jest w stanie absorbować glutationu jako takiego. Glutation musi być wyprodukowany przez samą komórkę. Aby podnieś poziom glutationu, musimy dostarczyć organizmowi składniki potrzebne do jego syntezy w organiżmie. Łatwo jest o glicynę i kwas glutaminowy, ale trudności z cysteiną ograniczają jego produkcję. Wykazano natomiast, że witamina C wspomaga utrzymanie wysokiego poziomu glutationu. Witamina C, E oraz b -karoten są także silnymi antyoksydantami i chronią neurony przed toksycznym działaniem wielu czynników.

Piśmiennictwo:

 

1.      Anglade P., Vyas S., Javoy-Agid F., Herrero M.T., Michel P.P., Marquez J., Mouatt-Prigent A., Ruberg M., Hirsch E.C., Agid Y.: Apoptosis and autophagy in nigral neurons of patients with Parkinson`s disease. Histol. Histopathol., 1997, 12, 25-31.

2.      Antkiewicz-Michaluk L., Krygowska-Wajs A., Michaluk J., Romańska I., Szczudlik A., Vetulani J.: Plasticity of extrapyramidal dopamine system in Parkinson`s disease- a postmortem study. Neurosci. Res. Comm. 1999, 25, 97-109.

3.      Antkiewicz-Michaluk L., Krygowska-Wajs A., Szczudlik A., Romańska I., Vetulani J.: Increase in salsolinol level in the cerebrospinal fluid of parkinsonian patients is related to dementia: advantage of a new high-performance liquid chromatography methodology. Biol. Psychiatry, 1997, 42, 514-518.

4.      Antkiewicz-Michaluk L., Romańska I., Papla I., Michaluk J., Bakalarz M., Vetulani J., Krygowska-Wajs A., Szczudlik A.: Neurochemical changes induced by acute and chronic administration of 1,2,3,4-tetrahydroisoquinoline and salsolinol in dopaminergic structures. Neuroscience, 2000, 96, 59-64.

5.      Antkiewicz-Michaluk L., Jerzy Michaluk, Maria Mokrosz, Romańska I., Lorenc-Koci E., Ohta S., Vetulani J.: Different action on dopamine catabolic pathways of two endogenous 1,2,3,4-tetrahydroisoquinolines with similar antidopaminergic properties. J. Neurochem., 2001, 78, 100-108.

6.      Ben-Shachar D., Eshel G., Finberg J.P.M., Youdim M.B.: The iron chelator desferrioxamine (desferal) retards 6-hyfroxydopamine-induced degeneration of nigrostriatal dopamine neurons. J. Neurochem., 1991, 56, 1441-1444.

7.      Ben-Shachar D., Riederer P., Youdim M.B.: Iron-melanin interaction and lipid peroxidation: implications for Parkinson`s disease. J. Neurochem., 1991, 57, 1609-1614.

8.      Bertrand E., Lechowicz W., Szpak G.M., Dymecki J.: Qualitative and quantitative analysis of locus coeruleus neurons in Parkinson`s disease. Folia Neuropathol., 1997, 35, 80-86.

9.      Cohen G.: The pathobiology of Parkinson`s disease: biochemical aspects of dopamine neuron senescence. I. Neural Transm., 1983, 19 Suppl. 89-103.

10. Dipasquale B., Marini A.M., Youle R.J.: Apoptosis and DNA degradation induced by 1-methyl-phenylpyridinium in neurons. Biochem. Biophys. Res. Commun., 1991, 181, 1442-1448.

11. Ehringer H., Hornykiewicz O.: Verteilung von Noradrenalin und Dopamin (3-Hydroxytyramin) im Gehim des Menschen und ihr Verhalten bei Erkrankungen des extrapyramidalen Systems. Klin. Wochenschr., 1960, 38, 1236-1239

12. Gerlach M., Riederer P., Przuntek H., Youdim M.B.H.: MPTP mechanisms of neurotoxicity and their implications for Parkinson’s disease. Eur. J. Pharmacol. Mol. Pharmacol. Sect., 1991, 208, 273-286.

13. Hirsch E.C., Hunot S., Faucheux B., Agid Y., Mizuno Y., Mochizuki H., Tatton W.G., Tatton N., Olanow W.C.: Dopaminergic neurons degenerate by apoptosis in Parkinson`s disease. Mov. Disord., 1999, 14, 383-385.

14. Langston J.W., Ballard P., Tetrud J.W., Irwin I.: Chronic Parkinsonism in humans due to a product of meperidine-analog synthesis. Science, 1983, 219, 979-980.

15. Maruyama W., Dostert P., Matsubara K., Naoi M.: N-methyl®salsolinol produces hydroxyl radicals: involvement to neurotoxicity. Free Radic Biol Med., 1995, 19, 67-75.

16. Morikawa N., Naoi M., Maruyama W., Ohta S., Kotake Y., Kawai H., Niwa T., Dostert P., Mizuno Y.: Effects of various tetrahydroisoquinoline derivatives on mitochondrial respiration and the electron transfer complexes. J. Neural Transm., 1998, 105, 677-688.

17. Nagatsu T.: Isoquinoline neurotoxins in the brain and Parkinson`s disease. Neuroscience Res., 1997, 29, 99-111.

18. Schapira A.H., Mann V.M., Cooper J.M., Drexter D., Daniel S.E., Jenner P., Clark J.B., Marsden C.D.: Anatomic and disease specificity of NADH CoQ1 reductase (complex I) deficiency in Parkinson`s disease. J. Neurochem., 1990, 55, 2142-2145.

19. Tasaki Y., Makino Y., Ohta S., Hirobe M.: Biosynthesis of 1-methyl-1,2,3,4-tetrahydroisoquinoline (1MeTIQ), a possible antiparkinsonian agent. Adv. Neurol., 1993, 60, 231-233.

20. Yamakawa T., Kotake Y., Fujitani M., Shintani H., Makino Y., Ohta S.: Regional distribution of parkinsonism-preventing endogenous tetrahydroisoquinoline derivatives and an endogenous parkinsonism-preventing substance-synthesizing enzyme in monkey brain. Neurosci. Lett., 1999, 276, 68-70.