Modellsystem för att förstå dystonipatogenesen
Datummars 2023
Utarbetad av SIC-medlemKathryn Peall, läkare
Författarna: Antonia Pisani MD, PhD; Nutan Sharma MD, PhD; HA Jinnah, MD
redaktörLorraine Kalia, läkare, fil.dr.
Beskrivning
Dystoni är en av de vanligaste formerna av rörelsestörningar, men dess patofysiologi är en av de minst förstådda. Dystoni innebär förlust av koordinerad sammandragning av muskelgrupper, vilket leder till onormala ställningar, smärta, nedsatt funktion och i många fall associerade icke-motoriska symtom, såsom humörstörningar.[1–3] Under de senaste 25 åren har det skett betydande framsteg i vår förståelse av den genetik som bidrar till utvecklingen av dystoni, med >300 gener som nu identifierats som orsakssamband till utvecklingen av isolerad dystoni eller dystonisyndrom.[4] Trots detta har framstegen med mekanistisk förståelse, och därmed terapeutisk utveckling, varit långsammare och har tenderat att fokusera på ett begränsat antal gener.[5,6] Delvis återspeglar detta den tidsberoende karaktären av detta arbete, särskilt djur- och cellulära modellsystem. Men liksom med många hjärnsjukdomar fokuserar diskussionen på tillämpbarheten av dessa modellsystem, deras förmåga att effektivt återge sjukdomsfenotyper och hur avancerad teknik kan utnyttjas för att bygga vidare på det arbete som hittills etablerats.
Hur har modellsystem för dystoni bidragit till vår förståelse av patogenes under de senaste 10 åren?
Professor Pisani:
En återkommande term som dyker upp när man beskriver dystoni är heterogenitet, eftersom den omfattar en bred grupp av rörelsestörningar, med heterogen etiologi, klassificering, anatomiska och fysiologiska substrat. Under det senaste decenniet har utvecklingen av flera modeller bidragit till vår kunskap om patofysiologin för dystoni, vilket gör det möjligt för oss att bättre utforska de molekylära vägar och neuronala nätverk som ligger bakom sjukdomen. Utvecklingen av bättre terapeutiska strategier är fortfarande begränsad, även om betydande framsteg har gjorts.
Genetik har varit mycket framgångsrik i identifieringen av de många orsakande generna för olika former av monogen dystoni, vilket ger möjlighet att generera flera djurmodeller. På systemnivå stöder bevis från kliniska, neuroavbildnings- och neurofysiologiska studier konceptet dystoni som en nätverksstörning, inklusive kortikal-talamisk-basalganglierna, och mer nyligen, cerebellära vägar, även om den exakta rollen och relevansen för varje komponent ännu inte har klarlagts. På krets- och cellnivå är förändrad synaptisk plasticitet, orsakad av en onormal neurokemisk balans mellan striatal kolinerg och dopaminerg signalering, konsekvent implicerad i många olika former av dystoni. På molekylär nivå kodar flera nya gener för proteiner med distinkta biologiska funktioner, inklusive dopaminsignalering mitokondriell funktion, tungmetallackumulering, endoplasmatiskt retikulum och kärnhöljesdysfunktion, samt lipidmetabolism.[7] Det är värt att notera att trots heterogeniteten i genmutationer konvergerar dessa ofta på gemensamma molekylära vägar.
Professor Sharma:
Dystoni är en heterogen grupp av sjukdomar. Det är troligt att det finns många vägar till dysfunktion som resulterar i de okontrollerade muskelkontraktioner och onormala ställningar som utgör dystoni. Under de senaste 20 åren har flera gnagarmodeller av dystoni analyserats. På senare tid har cellmodeller härledda från människor med genetiska former av dystoni också studerats. Både djur- och cellmodeller ger data om intracellulära avvikelser vid dystoni.
Med identifieringen av flera genmutationer som kan orsaka dystoni hos människor har gnagarmodeller med dessa genmutationer skapats. Även om gnagarmodellerna inte uppvisar någon tydlig okontrollerad muskelkontraktion och därmed inte uppvisar någon tydlig dystoni, har det funnits bevis på avvikelser i frisättningen av kolinerga neurotransmittorer i flera distinkta TOR1A-musmodeller och avvikelser i myelinisering i celler från möss som inte uttrycker THAP1.
En råttmodell av blefarospasm har etablerats, där behandling med ett läkemedel som stör den striatala dopaminerga transmissionen i kombination med en ansiktsnervlesion ger ökad ögonlocksslutning. Denna modell visar att relativt milda defekter i två väsentliga fysiologiska funktioner (neurotransmittorfunktion och nervfunktion) kan ge symtom som överensstämmer med en isolerad dystoni.
Sammantaget ger genetiska modeller av dystoni och djurmodeller som uppvisar tydliga tecken på dystoni information om patofysiologi. Dessa olika modeller indikerar att dysfunktion på en eller flera nivåer i nervsystemet (intracellulära defekter, signaldefekter i neurotransmittorer och/eller i kombination med onormal nervfunktion) bidrar till utvecklingen av dystoni.
Professor Jinnah:
De vanligaste experimentella modellerna som använts för att öka vår förståelse av dystonier har varit djurmodeller. För djur har vi både gnagare- och primatmodeller, såväl som några andra arter. Djurmodellerna faller inom två breda kategorier. De inkluderar fenotypiska modeller som replikerar de onormala rörelser som ses hos människor med dystoni, och etiologiska modeller som replikerar en känd orsak till dystoni. Båda har bidragit väsentligt till vår förståelse av patogenesen av dystoni.
De fenotypiska modellerna har förändrat vår förståelse av de anatomiska grunderna för dystoni. Traditionellt sett kom det mesta av vår information från lesionsstudier av människor, och de flesta av de mänskliga data tydde på att dystoni var en sjukdom i basala ganglierna. De fenotypiska djurmodellerna bekräftade detta koncept, men visade också att den anatomiska grunden var lite mer komplex. De fenotypiska djurmodellerna gav starka bevis för vår moderna konceptualisering av dystoni som en sjukdom i ett bredare motoriskt nätverk, där dystoni ibland kan uppstå från en defekt i basala ganglierna, och andra gånger uppstår defekten i lillhjärnan eller någon annanstans. Det finns fenotypiska djurmodeller med dystoni där den initiala defekten otvetydigt har sitt ursprung i basala ganglierna, och andra där den otvetydigt härrör från lillhjärnan.
De etiologiska modellerna är ofta baserade på gener som är kända för att ha dystoni hos människor. Liksom de flesta andra genetiska modeller för andra rörelsestörningar, såsom Parkinsons sjukdom eller Huntingtons sjukdom, replikerar de genetiska modellerna ofta inte de uppenbara motoriska egenskaperna. Trots avsaknaden av uppenbar dystoni har de genetiska modellerna varit avgörande för att förbättra vår förståelse av den molekylära patogenesen hos många ärftliga former av dystoni, såsom dopa-responsiv dystoni och dystoni associerad med TOR1A- och THAP1-generna. Även om generna alla är ganska olika, har konvergerande bevis antytt en roll för gemensamma mekanismer, såsom defekter i synaptisk signalering, defekter i jonkanaler och ett utvecklingsfönster för sårbarhet för många typer.
2. Kan dessa modeller direkt bidra till vår förståelse av mänskliga sjukdomar? Eller är de för långt borta?
Professor Pisani:
Djurstudier ger resultat som inte helt återger de kliniska egenskaperna hos mänskliga sjukdomar. Faktum är att de flesta tillgängliga modellerna inte uppvisar några uppenbara symtom, även om de har subtila beteendeavvikelser och neurokemiska och neurofysiologiska förändringar. Trots sådana begränsningar och uppenbart motstridiga bevis måste en användbar modell bedömas utifrån hur tillförlitligt och effektivt den kan användas för att utforska nya aspekter av patofysiologi och potentiella behandlingar. Valet av ett specifikt modellsystem beror till stor del på de specifika hypoteserna och de övergripande målen för experimentet. In vitro-studier ägnas ofta åt att bedöma biokemiska och cellbiologiska problem, medan däggdjursmodeller är avgörande för att utforska kretsar och utvärdera effekten av kandidatläkemedel. Sammantaget har modeller verkligen varit användbara för att bekräfta vad som hypoteserades genom kliniska observationer och gett en utmärkt plattform för att utforska dystonipatofysiologi ur ett kausalt och mekanistiskt perspektiv. På senare tid har bevis framkommit till förmån för en gen-miljö-interaktion vid dystoni, vilket bör beaktas i den fortsatta strävan att bättre modellera mänskliga sjukdomar och få mer insikt i dystonipatofysiologi.[8] För att omsätta sådana framsteg i klinisk nytta för patienter behöver vi omfattande modeller som bättre återger symtom för att kunna identifiera nya behandlingsmål. För detta syfte förväntas nya experimentella verktyg ge relevant ny information (se mitt svar på fråga 4 nedan).
Professor Sharma:
Cell- och djurmodellerna ger viss information om patogenesen för mänsklig dystoni. Mer specifikt belyser varje modell en möjlig väg som leder till dystoni. Identifieringen av funktionsstörningar i neurotransmittorfrisättning och intracellulär patologi, som diskuteras mer detaljerat i mitt svar på fråga 3 nedan, ger en ritning för utveckling av läkemedel som kan normalisera dessa vägar.
Professor Jinnah:
Den här frågan känns lite ledande eftersom den antyder att modeller kanske inte är användbara. Låt oss först överväga vad vi menar med "direkt" här. Studier av människor är nästan aldrig direkta. De typer av studier som krävs för att förstå dystonis biologi kräver ofta direkta manipulationer av hjärnan, och sådana manipulationer är inte tekniskt eller etiskt genomförbara för mänskliga försökspersoner. Till exempel kan experiment som direkt fastställer mekanismer kräva att man gör en lesion i en specifik hjärnregion för att tysta den, eller stimulerar en specifik hjärnregion för att se vad som händer. Andra exempel inkluderar att bestämma vad som händer när en specifik gen eller biokemisk process manipuleras. Vi kan inte göra något av detta på människor. Det finns en uppenbar gräns för vad som kan göras med mänskliga hjärnor efter döden, så det bästa vi kan göra med mänskliga studier är icke-invasiv avbildning eller att titta på nedströmseffekter av dystoni som riktar sig mot ett enda område. Resultaten från dessa typer av mänskliga studier ger endast mycket indirekt information och det är nästan aldrig möjligt att skilja mellan orsak och verkan. Däremot är direkta studier av hjärnan genomförbara på djur. Det som gör resultaten från djur mindre "direkta" eller kanske till och med "för avlägsna" är att de kommer från en annan art. Medan olika däggdjur säkerligen har hjärnor som ser olika ut makroskopiskt, är de underliggande kretsarna och neurotransmittorerna påfallande bevarade. Djur har väglett vår förståelse av de flesta mänskliga neurologiska sjukdomar, så det finns ingen anledning att misstänka att de inte kan hjälpa oss med dystoni.
Vi har alltid förespråkat en interaktiv strategi för studier på människor och djur. Frågor som uppstår hos människor kan utvärderas hos djur. Omvänt kan fynd hos djur ofta verifieras hos människor. När djurstudier ger resultat som inte förväntades utifrån vår befintliga syn på mänsklig dystoni, har vi två alternativ. Vi kan avfärda resultaten från djuren som "felaktiga" och "för avlägsna". Eller så kan vi fråga oss själva om vår syn på mänsklig dystoni förtjänar att omprövas.
3. Vilka viktiga mekanismer/vägar har framkommit som centrala vid dystoni, utifrån det hittillsvarande arbetet?
Professor Pisani:
Flera nya aspekter av dystonis patofysiologi har framkommit under det senaste decenniet. Kliniska och experimentella bevis har framkommit som tyder på att trots att det är en heterogen sjukdom, delar olika former av dystoni faktiskt gemensamma nämnare. Ett relevant bidrag till denna idé kom från genetiken, vilket ledde till en betydande ökning av antalet gener associerade med dystoni.[9] Dessa gener kodar för proteiner med distinkta biologiska funktioner, inklusive mitokondriell dysfunktion, ansamling av tungmetaller, dysfunktion i endoplasmatiskt retikulum (ER) och kärnhöljet, samt lipidmetabolism. Av intresse är att bland de gemensamma biologiska vägarna finns defekter i dopaminsignalering. Faktum är att flera mutationer som orsakar att dystoni konvergerar, påverkar dopaminsignaltransduktionsvägar, inklusive GTPCH1 , GNAL och ADCY5 , för att nämna några. Dopamins roll framgår också av kliniska observationer eftersom dystoni kan uppstå vid tidig debut av ärftlig Parkinsons sjukdom och i olika dopaminerga tillstånd. På liknande sätt kan dopaminreceptorblockerande läkemedel orsaka dystoni.[10] Flera observationslinjer betonar centraliteten i en dysreglering av kolinerg transmission på striatal nivå, särskilt vid DYT1-dystoni, med en hyperkolinerg tonus som resulterar i en avvikande striatal nätverksaktivitet.[11] Att klargöra dessa och andra gemensamma signalvägar är relevant för att förstå den biologiska grunden för dystoni och för att utforma nya behandlingar som kan ha en bred potential för olika typer av dystoni.
Professor Sharma:
Medan många gener och genetiska loci har associerats med dystoni, är de cellulära vägar som störs och leder till dystoni fortfarande dåligt förstådda. De bäst definierade vägarna är de som påverkar dopaminbiosyntesen. Defekter i dopaminbiosyntesen leder till dystoni i barndomen, och minskad dopaminproduktion kan resultera i dystoni som en behandlingsrelaterad komplikation vid Parkinsons sjukdom.
Den intracellulära stressresponsvägen verkar påverkas i cellulära studier av TOR1A- och PRKRA-genmutationer. Således verkar celler med ett defekt ER-medierat stressrespons vara mer benägna att genomgå apoptos och bidra till utvecklingen av dystoni.
Dessutom pekar data från både genuttrycksstudier utförda i neurala stamceller härledda från människor med olika THAP1-mutationer och musmodeller av THAP1-dystoni på avvikelser i uttrycket av gener relaterade till myelinisering. Således kan defekter i myelinproduktionen och de gliaceller som producerar den spela en roll i patogenesen av vissa former av dystoni.
Sammanfattningsvis är defekter i dopaminsyntesen, ER-stressresponsen och myelinproduktion inblandade i patogenesen av dystoni.
Professor Jinnah:
Det har skett många framsteg på många nivåer. På anatomisk nivå har den traditionella synen på dystoni som en basala gangliersjukdom ersatts av den moderna synen att dystoni är en störning i ett motoriskt nätverk. Denna nya syn har öppnat våra ögon för andra regioner i hjärnan som också behöver studeras. Den nya synen började med bevis från djurmodeller men har nu replikerats hos människor med dystoni.
På genetisk nivå trodde vi tidigare att vi bara hade ett fåtal gener som var ansvariga för dystoni. Nu har vi hundratals. Medan bara en handfull gener orsakar isolerad dystoni, listar onlinedatabaser som OMIM nu mer än 300 olika gener som orsakar dystoni i kombination med andra neurologiska problem. Denna längre lista över gener har gjort det möjligt för oss att börja klumpa ihop och dela upp dem i undergrupper som kan vara biologiskt relaterade. Några av de gemensamma molekylära vägar som är bäst kända inkluderar försämringar i dopaminerg transmission, defekter i energiproduktion, förändringar i jonkanaler som förändrar synaptisk aktivitet och förändringar i proteintransport eller kvalitetskontroll. Dessa framsteg har gjort det möjligt för oss att börja överväga gemensamma teman för molekylär patogenes, och de leder till idéer för gemensamma molekylära mål för terapi.
4. Hur kan dessa resultat gynna framtida forskning?
Professor Pisani:
Även om olika modelleringsmetoder uppvisar olika validitetsnivåer, möjliggör de att förbättra vår kunskap om dystonis patofysiologi. För detta ändamål är tillgången till flera modeller välkommen och kan säkerligen vara fördelaktig. Framsteg inom experimentella verktyg kommer att bidra till att besvara grundläggande frågor.
Nya tekniker, inklusive optogenetik, designerreceptorer som exklusivt aktiveras av designerdroger (DREADD), och CRISPR, erbjuder oöverträffade möjligheter att förändra specifika mål för att hantera deras roll i motorisk funktion och dysfunktion. Med hjälp av optogenetiska verktyg och DREADD kan vi nu modulera aktiviteten hos en enda typ av neuron i en given hjärnregion. Dessutom kommer den nya och mycket exakta genomredigeringstekniken baserad på det bakteriella CRISPR/Cas9-systemet att möjliggöra snabbare DNA-redigering, men samtidigt öppna nya möjligheter för modellering av mänskliga sjukdomar. Dessutom skulle genereringen av protokoll för riktad differentiering av mänskliga pluripotenta stamceller till basala ganglierneuroner vara ett relevant verktyg för att karakterisera mänskliga neuroner och så småningom bekräfta data från djurmodeller eller få nya insikter i sjukdomspatofysiologi. Slutligen kan nya avbildnings- och maskininlärningsbaserade protokoll ge opartiska resultat på involverade hjärnregioner och kretsar.
Sammanfattningsvis bör vi vara övertygade om att spännande resultat kommer att finnas tillgängliga inom en snar framtid, eftersom dessa tekniker blir alltmer använda och tillämpade för studier av rörelsestörningar, särskilt dystoni. Sammantaget bör de hittills upptäckta resultaten av de mekanistiska grunderna bidra till att främja utformningen av nya medel för dessa molekylära mål, såsom dopamin- och muskarina acetylkolinreceptorer.
Professor Sharma:
Identifieringen av avvikelser i myelinisering och stressresponsen i ER pekar på specifika cellulära vägar som kan vara måltavlor vid läkemedelsutveckling. Dessutom kan djurmodeller, såsom råttmodellen av blefarospasm, bidra till att identifiera de utlösare som driver icke-manifesterande bärare av en TOR1A- eller THAP1 -mutation till manifesterande dystoni.
Professor Jinnah:
Framstegen i vår förståelse av den underliggande anatomin bakom dystoni har öppnat våra ögon för andra hjärnregioner som behöver studeras. Dessa andra regioner studeras nu hos människor med hjälp av funktionell avbildning som fMRI och PET, icke-invasiv fysiologi som transkraniell magnetisk stimulering och till och med patologiska studier efter döden. Vissa har till och med börjat utnyttja den nya informationen för att utforska nya behandlingsstrategier. Vi har haft djup hjärnstimulering av basala ganglierna som behandling för dystoni i åratal, och vissa forskare undersöker nu stimuleringsparadigmer för den mänskliga lillhjärnan.
Framstegen i vår förståelse av den molekylära grunden för dystoni har gått så snabbt att det har varit svårt att hänga med i löpande takt. Den mest uppenbara effekten av dessa fynd har varit relaterad till diagnostiska verktyg. Flera nya studier har nu visat att en definitiv molekylär diagnos kan uppnås hos 20–30 % av dystonikohorterna. Vi kan fortfarande inte hitta svar för varje patient, men även denna siffra är mycket bättre än vad vi gjorde för 10 år sedan, då mindre än 2 % av patienterna kunde få en molekylär diagnos. Den molekylära diagnosen blir allt viktigare, eftersom flera specifika subtyper nu har mycket effektiva interventioner, och tidig behandling ger ett bättre resultat.
Referensprojekt
[1] Albanese A, Bhatia K, Bressman SB, Delong MR, Fahn S, Fung VSC, et al. Fenomenologi och klassificering av dystoni: En konsensusuppdatering. Mov Disord 2013;28:863–73. https://doi.org/10.1002/mds.25475.
[2] Peall KJ, Kuiper A, de Koning TJ, Tijssen MAJ. Icke-motoriska symtom vid genetiskt definierad dystoni: Homogena grupper kräver systematisk bedömning. Park Relat Disord 2015;21:1031–40. https://doi.org/10.1016/j.parkreldis.2015.07.003.
[3] Wadon ME, Fenner E, Kendall KM, Bailey GA, Sandor C, Rees E, et al. Klinisk och genotypisk analys för att fastställa icke-motorisk fenotypisk heterogenitet vid dystoni: en studie från UK Biobank. J Neurol 2022. https://doi.org/10.1007/s00415-022-11307-4.
[4] Keller Sarmiento IJ, Mencacci NE. Genetiska dystonier: Uppdatering om klassificering och nya genetiska upptäckter. Curr Neurol Neurosci Rep 2021;21. https://doi.org/10.1007/s11910-021-01095-1.
[5] Li J, Liang CC, Pappas SS, Dauer WT. Överuttryck av TorsinB förhindrar onormal vridning i DYT1-dystoni-musmodeller. Elife 2020;9:1–20. https://doi.org/10.7554/eLife.54285.
[6] Aïssa HB, Sala RW, Georgescu Margarint EL, Frontera JL, Varani AP, Menardy F, et al. Funktionella avvikelser i cerebellothalamic vägar i en musmodell av DYT25 dystoni. Elife 2022;11. https://doi.org/10.7554/eLife.79135.
[7] Balint B, Mencacci NE, Valente EM, Pisani A, Rothwell J, Jankovic J, et al. Dystoni. Nat Rev Dis Prim 2018;4. https://doi.org/10.1038/s41572-018-0023-6.
[8] Rauschenberger L, Knorr S, Pisani A, Hallett M, Volkmann J, Ip CW. Hypotesen om en andra träff vid dystoni: Dysfunktionell överhörning mellan neuroplasticitet och miljö? Neurobiol Dis 2021;159. https://doi.org/10.1016/j.nbd.2021.105511.
[9] Jinnah HA, Sun Y V. Dystonigener och deras biologiska vägar. Neurobiol Dis 2019;129:159–68. https://doi.org/10.1016/j.nbd.2019.05.014.
[10] Goodchild RE, Grundmann K, Pisani A. Nya genetiska insikter belyser ”gamla” idéer om motorisk dysfunktion vid dystoni. Trends Neurosci 2013;36:717–25. https://doi.org/10.1016/j.tins.2013.09.003.
[11] Eskow Jaunarajs, KL; Bonsi, P; Chesselet, MF; Standaert, DG; Pisani A. Striatal kolinerg dysfunktion som ett samlande tema i patofysiologin vid dystoni. Prog Neurobiol 2015;127–128:91–107.