Gå till innehåll
 
Internationella Parkinson- och rörelsestörningssällskapet

Djurmodeller av prodromal Parkinsons sjukdom

Datum: april 2022 
Förberedd av SIC-medlem: Abby L. Olsen, läkare, PhD  
författare: Nathalie Van Den Berge, PhD; Per Borghammer, MD, PhD, DMSc; Hodaka Yamakado, MD, PhD  
Redaktör:  Lorraine Kalia, läkare, PhD 

 

Djurmodeller kan ge viktiga insikter i sjukdomsprogression och potentiella behandlingar av prodromal Parkinsons sjukdom (PD). Nya framsteg inom utvecklingen av både genetiska modeller och α-synuklein-såddmodeller har lett till upptäckter specifika för den prodromala fasen av PD. Dr. Van Den Berge, Borghammer och Yamakado ger en bild av det nuvarande läget inom området.  
 

Beskrivning

Drs. Van Den Berge & Borghammer:
Sedan upptäckten att minskad dopaminnivå resulterar i motoriska symtom vid Parkinsons sjukdom (PS) har många djurmodeller fokuserat på att återskapa förlusten av dopamin i substantia nigra med neurotoxiner. Detta har lett till insikter i dopaminerga vägar i hjärnan samt utvecklingen av levodopa och andra symtomatiska behandlingar för motoriska funktioner. Under de senaste decennierna har vi dock insett att PD i själva verket är en multisystemsjukdom som påverkar flera neuronala system i hjärnan och perifera organ. Viktigt är att det perifera nervsystemet (PNS) verkar vara involverat före det centrala nervsystemet (CNS) hos många patienter. Detta leder till en heterogen prodromal sjukdomsfas med ett brett spektrum av icke-motoriska symtom såsom förstoppning, hypomi, sömnstörningar inklusive REM-sömnbeteendestörning (RBD) och ortostatisk hypotoni. Dessa prodromala symtom kan uppstå upp till 20 år före uppkomsten av motoriska symtom (när > 50 % av dopaminen förloras i hjärnan). Hittills finns det fortfarande inget botemedel mot PD. Eftersom förekomsten av icke-motoriska symtom i ett tidigt sjukdomsstadium kan ge ett brett fönstret för intervention, behöver vi omfattande djurmodeller som efterliknar perifer patologi och prodromala symtom som observerats vid mänsklig prodromal PD för att identifiera nya sjukdomsmodifierande behandlingsmål.   
 

Vilka tillgängliga djurmodeller finns för förstoppning, hypomi, sömnstörningar eller andra prodromala Parkinsonsymtom? 

Drs. Van Den Berge & Borghammer:
Prodromala PD-symtom kan vara kopplade till ackumulering av α-synukleinpatologi i perifera organ såsom tarmen (förstoppning), hjärtat och autonoma ganglier (ortostatisk hypotoni), huden (torr hud eller överdriven svettning) eller nedre hjärnstamsstrukturer (sömnstörningar). Därför kan modellering av ett visst prodromalt PD-symtom hos djur göras genom induktion av α-synukleinpatologi i det associerade organet eller strukturen. Lokal induktion av patologi kan uppnås genom administrering av (1) rekombinanta α-synukleinfrön, (2) ett neurotoxin, (3) överuttryck av α-synuklein med hjälp av virala vektorer eller (4) transgena modeller, eller en kombination därav. α-synuklein kan spridas transsynaptiskt längs det autonoma konnektomeet och därigenom påverka flera organ.1Följaktligen uppvisar djuret vanligtvis ett brett spektrum av prodromala symtom inom några månader efter induktion av α-synukleinpatologi i ett visst organ.  

År 2010 och 2014 gav två banbrytande artiklar de första djurbevisen för rimligheten i Braaks gut-first-hypotes.2, 3Sedan dess har flera studier inriktat sig på övre mag-tarmkanalen för att modellera prodromal PD med hjälp av djur med fokus på prodromal tarmdysfunktion.1, 4, 5Parallellt har alternativa möjliga initieringsställen undersökts för att modellera andra icke-motoriska symtom. Riktad sådd av de autonoma ganglierna hos möss kan härma ortostatisk hypotension, hyposmioch förstoppning utan förekomst av motoriska symtom6Och riktad sådd av strukturer i nedre hjärnstammen kan modellera prodromal ångest, depression och RBD. Mer specifikt inducerade riktad sådd av den sublaterodorsala tegmentala kärnan i mitten av hjärnstammen tidigt RBD-liknande beteende med senare depression, hyposmi, tarmdysmotilitet och så småningom motorisk dysfunktion.7. 

Dessutom uppvisar bakteriella artificiella kromosom (BAC) transgena gnagare, som uttrycker humant α-synuklein, prodromala symtom, såsom RBD-liknande dysfunktion utan atoni och hyposmi, och senare dopaminerg degeneration8, 9På liknande sätt uppvisar BAC-transgena möss som överuttrycker ett mutant A30P α-synuklein tidig ackumulering av α-synuklein i tarmen, associerat med tarmdysmotilitet och molekylära dysregleringar i tarmen, före motorisk dysfunktion.10Slutligen kan ett brett spektrum av miljögifter (såsom rotenon)2 eller amyloidproducerande bakterier11) har använts för att inducera enterisk inflammation och för att sammanfatta kliniska neuroinflammation och prodromal tarmdysfunktion12. 
 

Dr Yamakado:
Många gnagarmodeller uppvisar enskilda icke-motoriska symtom på Parkinsons sjukdom.13, och dessa möss är användbara för att utveckla symtomatiska behandlingar riktade mot dem. Det finns dock få djurmodeller där flera icke-motoriska symtom föregår dopaminerg (DA) neuronal förlust eller motoriska symtom och åtföljs av α-synuklein-aggregering, vilket observeras i PD-fall. En av de mest framgångsrika modellerna är möss som injicerats med α-synuklein-förformade fibriller (PFF) i mag-tarmkanalen (GI). De uppvisar gastrointestinal dysfunktion, följt av ökad ångest och DA-neuronal förlust, även om luktdysfunktion uppträder senare.5Möss som injicerats med PFF i den RBD-ansvariga regionen visar också RBD-liknande beteenden följt av minskad luktsinne, mag-tarmdysfunktion och motoriska underskott.7I en genetisk modell uppvisar bakteriella artificiella kromosom (BAC) transgena möss som uttrycker humant α-synuklein under dess nativa promotor hyposmi och RBD, följt av DA-neuronal förlust.8En unik modell är VMAT2-bristmodellen, som visar ökad α-synuklein-aggregering och progressiv DA-neuronförlust tillsammans med minskad luktsinne och ökad ångest.14. 
 

Vad har vi lärt oss av djurmodeller? 

Drs. Van Den Berge & Borghammer:
Dessa nya modeller, som syftar till att reproducera prodromal PD, tar upp molekylära och cellulära mekanismer som är involverade i initieringen av patologi och spridning till specifika hjärnregioner och organ. Det är viktigt att notera att modellering av prodromal PD inte är absolut och att överlappande fenotyper över olika PD-modeller förekommer under hela sjukdomsprogressionen. Ändå verkar det tidsmässiga mönstret för uppkomsten av prodromala symtom vara associerat med platsen för induktion av α-synukleinpatologi. Till exempel kommer sjukdomsstart i tarmen att leda till tarmdysfunktion före andra autonoma störningar och vice versa när sjukdomen initieras i de autonoma ganglierna. Dessutom verkar alla perifera såddmodeller inducera liknande distribution av patologi i CNS oavsett deras perifera startplats. Detta är inte förvånande eftersom spridning av patologi från kropp till hjärna sker längs parasympatiska och sympatiska nerver som kommer in i hjärnan bilateralt. Vid bilateral invasion av patologi i de nedre hjärnstamsstrukturerna fortskrider patologin ytterligare bilateralt i hjärnan på ett förutsägbart sätt (Braaks stadier av PD). Däremot kännetecknas modeller med unilateral sjukdomsstart i hjärnan av en övervägande unilateral spridning av patologi och neurodegeneration. Patologins mönster i dessa modeller beror på hjärnstrukturen där patologin initierades12Dessa observationer kan belysa det hittills oförklarade dilemmaet med asymmetriska motoriska symtom vid Parkinsons sjukdom.15Kort sagt, om den första patologin hos vissa patienter börjar i ena hemisfären och sedan sprider sig enligt det neuronala nätverket, kommer den resulterande asymmetrin i patologins distribution att leda till en initial asymmetrisk förlust av dopaminceller och därmed asymmetriska motoriska symtom. Slutligen har kontrollerade experimentella förhållanden i gnagarmodeller möjliggjort undersökningar av orsakssamband och interaktioner mellan patologiutlösande faktorer som tarmmikrobiomet, tarmpermeabilitet och inflammation.12. 
 

Dr Yamakado:
Fenotypen hos djurmodeller beror helt enkelt på injektionsstället i α-synukleinförökningsmodellen eller virusmodellen, och på den promotor som används i den genetiska modellen. För att troget återspegla hela den naturliga historien hos mänsklig Parkinsons sjukdom, inklusive prodromfasen, är det nödvändigt att förstå patogenesen och reproducera den korrekt. En sådan modell, som ännu inte är tillgänglig, skulle besvara följande frågor: 

  • Kan interventioner för prodromala symtom, särskilt för mag-tarmproblem eller sömndysfunktion, förändra sjukdomens naturliga förlopp? 
  • Vilken roll spelar inflammation och immunförsvarsaktivering, som tros vara skadlig i den symptomatiska fasen, i prodromalfasen? 
  • Kan behandlingar som misslyckats i tidigare prekliniska eller kliniska prövningar vara effektiva om de administreras i prodromalfasen? 
     

Vad misslyckas vi med att modellera tillräckligt?  

Dr. Van Den Berge & Dr. Borghammer:
De traditionella modellerna av dopaminlesioner fokuserar på en enda PD-funktion, nämligen dopaminbristen och associerade motoriska symtom i sent sjukdomsstadium. Tack vare kunskapen från den stora mängden studier av dopaminlesioner kan vi nu behandla motoriska symtom vid PD ganska bra. Men om vi vill hitta ett botemedel mot PD bör vi fokusera på att tyda den multifaktoriella komplexiteten hos PD i det tidiga prodromala sjukdomsstadiet. I detta skede uppvisar dopaminsystemet minimal eller ingen skada och tidig intervention kan fördröja, eller helst stoppa ytterligare sjukdomsprogression. Under det senaste decenniet har vi gjort stora framsteg med att återskapa mänsklig prodromal PD med kardinala sjukdomsegenskaper som inte representeras i de traditionella modellerna av dopaminlesioner, såsom initiering och spridning av α-synukleinpatologi, multiorganengagemang och en premotorisk sjukdomsfenotyp. Dessa nya djurmodeller för prodromal PD har gett en utmärkt plattform för att utforska kopplingen mellan kropp och hjärna i PD-patogenesen ur ett kausalt och mekanistiskt perspektiv. Grundläggande sjukdomsaspekter återstår dock att ta itu med för en mer exakt återskapning av mänsklig PD: 

  • För det första verkar prodromala symtom uppstå i en specifik ordning vid mänsklig Parkinsons sjukdom, vilket kan bero på sjukdomens initieringsställe.15, 16Striatal och intramuskulär sådd har varit populärt för att undersöka Parkinsons sjukdom med hjälp av djurmodeller, men dessa mål är sannolikt inte representativa för initieringsstället vid mänsklig Parkinsons sjukdom. Framtida djurstudier skulle kunna utforska mer realistiska sjukdomsinitieringsmål (såsom amygdala, luktbulben eller tarmen) för att modellera den sekventiella förekomsten av prodromala symtom som observerats i humana Parkinsonsubtyper.12, 15, 16.  
  • För det andra är ålder den största riskfaktorn för Parkinsons sjukdom. De flesta studier använder dock unga djur och ignorerar därmed åldersrelaterade fel i cellulära system och andra mekanismer som spelar in. Viktigt är att valideringsstudier för behandling som direkt jämför unga och gamla djur har visat att behandling är mindre effektiv hos äldre djur. Det är möjligt att den nästan uteslutande användningen av unga djur i preklinisk Parkinsonsforskning kan bidra till de fortsatt nedslående resultaten i valideringsstudier för translationella behandlingar.  
  • För det tredje behöver inkluderingen av andra sjukdomsbidragande faktorer, såsom mitokondriell dysfunktion, kalciumdysreglering, lysosomal dysfunktion, tarmmikrobiom och inflammation, utforskas ytterligare i samband med α-synukleinförökningsmodeller för att reda ut interaktionerna mellan dessa många potentiellt sjukdomsframkallande faktorer. Det verkar alltmer troligt att en personlig "cocktail" av läkemedel som riktar sig mot olika patogena mekanismer samtidigt kan behövas för att uppnå målet att modifiera sjukdomen vid Parkinsons sjukdom. 
     

Dr Yamakado:
Hela den naturliga utvecklingen av Parkinsons sjukdom, från prodromfasen till den symtomatiska fasen där motoriska symtom uppträder, har inte reproducerats fullt ut. Genetiska modeller fokuserar på sjukdomens debut, men leder sällan till DA-neurons död och motoriska symtom. Däremot visar vissa av α-synukleinpropagationsmodellerna robust propagation och DA-neurons död, men hoppar över den viktigaste initiala patologiska händelsen, dvs. bildandet av α-synukleinaggregat. För att fylla luckan i dessa modeller bör vi ta itu med följande frågor:  

  • Vilka miljömässiga eller genetiska faktorer producerar α-synukleinaggregat med hög såddaktivitet, som vid mänsklig PD? 
  • Vad driver sjukdomsprogressionen i prodromfasen? 
     

Sammanfattning 

  • Prodromala PD-modeller har utvecklats avsevärt de senaste åren, vilket har lett till nya insikter och förståelser, men det finns fortfarande många utestående frågor. 
  • Nya modeller utnyttjar α-synukleinsådd och genetiska metoder för att replikera prodromala symptom som liknar de som ses hos människor.  
  • Dessa modeller har hjälpt till att koppla patologins tidslinje till sjukdomsprogressionen.  
  • Ytterligare ansträngningar är nödvändiga för att fullt ut spegla den motoriska symtomprogressionen, realistiska sjukdomsdebutplatser, riskfaktorn ålder och andra sjukdomsbidragande faktorer. 
     

Referensprojekt 

1. Van Den Berge N, Ferreira N, Mikkelsen TW, et al. Åldrande främjar patologisk alfa-synukleinförökning och autonom dysfunktion hos vildtypsråttor. Brain 2021;144(6):1853-1868. 

2. Pan-Montojo F, Anichtchik O, Dening Y, et al. Progression av Parkinsons sjukdomspatologi reproduceras genom intragastrisk administrering av rotenon hos möss. PLoS One 2010;5(1):e8762. 

3. Holmqvist S, Chutna O, Bousset L, et al. Direkta bevis på spridning av Parkinsons sjukdom från mag-tarmkanalen till hjärnan hos råttor. Acta Neuropathol 2014;128(6):805-820. 

4. Van Den Berge N, Ferreira N, Gram H, et al. Bevis för dubbelriktad och transsynaptisk parasympatisk och sympatisk propagering av alfa-synuklein hos råttor. Acta Neuropathol 2019;138(4):535-550. 

5. Kim S, Kwon SH, Kam TI, et al. Transneuronal spridning av patologisk alfa-synuklein från tarmen till hjärnan modellerar Parkinsons sjukdom. Neuron 2019;103(4):627-641 e627. 

6. Wang XJ, Ma MM, Zhou LB, et al. Autonom ganglionisk injektion av alfa-synukleinfibriller som en modell för ren autonom fel alfa-synukleopati. Nat Commun 2020;11(1):934. 

7. Shen Y, Yu WB, Shen B, et al. Propagerad alfa-synukleinopati sammanfattar REM-sömnbeteendestörning följt av parkinsoniska fenotyper hos möss. Brain 2020;143(11):3374-3392. 

8. Taguchi T, Ikuno M, Hondo M, et al. Transgena möss med alfa-synuklein BAC uppvisar RBD-liknande beteende och hyposmi: en prodromal Parkinsons sjukdomsmodell. Brain 2020;143(1):249-265. 

9. Nuber S, Harmuth F, Kohl Z, et al. En progressiv dopaminerg fenotyp associerad med neurotoxisk omvandling av alfa-synuklein hos BAC-transgena råttor. Brain 2013;136(Pt 2):412-432. 

10. Gries M, Christmann A, Schulte S, et al. Parkinsonmöss uppvisar funktionella och molekylära förändringar i tarmen långt innan motorisk sjukdom debuterar. Mol Neurodegener 2021;16(1):34. 

11. Chen SG, Stribinskis V, Rane MJ, et al. Exponering för det funktionella bakteriella amyloidproteinet Curli förbättrar alfa-synuklein-aggregering hos åldrade Fischer 344-råttor och Caenorhabditis elegans. Sci Rep 2016;6:34477. 

12. Van Den Berge N, Ulusoy A. Djurmodeller av hjärn-först och kropps-först Parkinsons sjukdom. Neurobiol Dis 2022;163:105599. 

13. Taguchi T, Ikuno M, Yamakado H, Takahashi R. Djurmodell för prodromal Parkinsons sjukdom. Int J Mol Sci 2020;21(6). 

14. Taylor TN, Caudle WM, Shepherd KR, et al. Icke-motoriska symtom vid Parkinsons sjukdom uppvisade i en djurmodell med reducerad monoaminlagringskapacitet. J Neurosci 2009;29(25):8103-8113. 

15. Borghammer P. Alfa-synuklein-ursprungs- och konnektommodellen (SOC-modellen) för Parkinsons sjukdom: Förklaring av motorisk asymmetri, icke-motoriska fenotyper och kognitiv nedgång. J Parkinsons Dis 2021;11(2):455-474. 

16. Borghammer P, Van Den Berge N. Hjärninriktad kontra tarminriktad Parkinsons sjukdom: En hypotes. J Parkinsons Dis 2019;9(s2):S281-S295.