Magyar Tudomány, 2006/1 57. o.

Tanulmányok

Gárdián Gabriella

MD, Szegedi Tudományegyetem, Neurológiai Klinika

Vécsei László

MD, PhD, DSc, tanszékvezető egyetemi tanár, MTA levelező tagja, Szegedi Tudományegyetem, Neurológiai Klinika, MTA-SZTE Neurológiai Kutatócsoport, Szeged - vecsei @ nepsy.szote.u-szeged.hu

Neurodegeneráció a neurológiai kórképekben

A neurodegeneratív kórképek pathomechanizmusa intenzív kutatások célpontja. A betegségek pontos oka azonban nem tisztázott, és az sem ismert, hogy mi a magyarázata az egyes kórképekre jellemző szelektív idegsejtpusztulásnak.

Klasszikus krónikus neurodegeneratív megbetegedések közé tartozik a Parkinson-kór/szindrómák, Huntington-kór, Alzheimer-kór és cerebellaris ataxiák. Az 1. ábra a Huntington-kór típusos makroszkópos agyi elváltozásait mutatja (összefoglaló: Gárdián - Vécsei, 2004). A fentebb említett kórképekre jellemző fontosabb klinikai tüneteket az 1. táblázat foglalja össze.

Bebizonyosodott, hogy számos neurokémiai eltérés észlelhető e kórképekben, melyeket a következőkben tekintünk át.

1. Energiatermelés, excitotoxicitás

A sejt energiavalutája, az ATP (adenozin trifoszfát - nagy energiájú molekula), mely az aerob disszimiláció (respiráció) folyamán termelődik a mitokondriumokban. A mitokondriumokat kettős membránrendszer burkolja. A belső membrán felületét a sok redő megnöveli. Az oxidatív foszforiláció multienzim komplexe a belső membránhoz kötött, míg a Szent-Györgyi-Krebs-ciklus enzimjei a mátrix folyadékfázisában vannak. (2. ábra)

A mitokondriális funkciózavar súlyos következményekkel jár a sejtben. A megfelelő neuronális glükóz metabolizmus, ATP képződés alapvető az energiafüggő membrántranszport és a neuronális membránok nyugalmi potenciáljának, depolarizációjának és repolarizációjának fenntartásában. Az energiatermelésben bekövetkező defektus mind excitotoxikus (excitátoros aminosav-receptor aktiválódás okozta sejtpusztulás), mind oxidatív (szabad gyökök fokozott képződése előidézte oxidatív reakció) károsodáshoz vezethet (Andersen 2004; Beal 1997, 2003; Browne et al., 2004; Vécsei et al., 1998).

Ha a sejt energiatermelése károsodik, akkor a kevesebb energia nem lesz elegendő a depolarizált sejt repolarizációjához. Így egy krónikus részleges depolarizációs állapot alakulhat ki, melyben egy bizonyos küszöb elérése után megszűnik az NMDA receptorok (excitátoros aminosav receptor) Mg⁺⁺ blokádja. Megnyílnak a feszültségfüggő Ca⁺⁺-csatornák, s egy lassan kifejlődő Na⁺ Cl^- Ca⁺⁺ influx jön létre, ami idővel sejtdestrukcióhoz, végül a sejt halálához vezet (Bossy-Wetzel et al., 2004; Beal - Vécsei, 1992). (3. ábra)

A mitokondriális elektrontranszport láncban bekövetkező defektus fokozott szabadgyök- (erősen reaktív molekulák, például: superoxid - O₂., hydroxil OH. gyök) képződéshez vezet, melyek az oxidatív metabolizmus "melléktermékei". Az energiatermelés csökkenése az intracellularis Ca⁺⁺ puffer rendszert is megzavarja. Az intracellularis Ca⁺⁺ szint emelkedése is növeli a szabadgyök képződést, és aktiválja a nitrogénoxid-szintetázt (NOS) (Manfredi - Beal, 2000; Sas et al., 1998). (2. táblázat)

2. Szabad gyökök

A szabad gyök olyan atom vagy molekula, melynek külső elektronhéján párosítatlan elektron foglal helyet, ami kifejezetten reaktívvá változtatja azt. Instabilitásuk révén képesek elektront elvonni a környezetükben levő molekuláktól, így oxidálva a szomszédos organikus makromolekulákat, ami sejt- és szövetkárosodáshoz vezet. Az organikus oxidatív károsodás meglehetősen összetett. A normál anyagcsere folyamán is termelődik szuperoxid anion (O₂.). A szuperoxid spontán dizmutáció útján hidrogénperoxiddá (H₂O₂) alakul. A folyamatot a SOD (szuperoxid dizmutáz) katalizálja. Ezt követően a kataláz segítségével metabolizálódik a hidrogénperoxid. Szuperoxidból nitrogén-monoxid (NO.) jelenlétében peroxinitrit (ONOO^- keletkezik, amely citotoxikus. A peroxinitrit meglehetősen reaktív oxidáló ágens, ráadásul a metabolitja is szövetkárosító. A peroxinitrit reakcióba lép a Cu/Zn SOD-val, mely folyamatban nitronium (NO₂⁺) keletkezik és hidroxil gyök(OH.), mely igen kifejezetten toxikus a központi idegrendszerre. (3. táblázat) A vasion (Fe²⁺Fe³⁺ illetve más fémion elősegíti az igen reaktív hidroxil gyökök képződését (Rego - Oliveira, 2003). (4. ábra)

3. Neuroprotektív mechanizmusok

A szabad gyök indukálta folyamatok ellen a szervezetben védő mechanizmusok is kiépültek, ilyen például a kompartmentalizáció. Az oxidatív foszforiláció a mitokondriumokban játszódik le, ahol megfelelő szabadgyök-fogó mechanizmusok működnek. Ismertek például az antioxidáns enzimek, mint a SOD (szuperoxid dizmutáz), mely H_2O2-t produkál, amit a kataláz vagy a glutation-peroxidáz eliminál. Jelen vannak antioxidáns molekulák, mint az alpha-tokoferol, aszkorbinsav és glutation (Prasad et al., 1999). Ha a szabadgyök-képződés és az antioxidáns folyamatok között megbomlik az egyensúly, az a sejt számára oxidatív stresszt jelent. (4. táblázat)

4. Gliasejtek

A gliasejtek egy csoportja neuroprotektív hatású (5. táblázat), míg egy másik szubpopulációja ártalmas a körülötte levő neuronokra. Ezt az utóbbi hatást nitrogén-monoxid (NO.) és citokinek mediálása útján éri el. Az aktívált mikrogliasejtekről, valamint az astrogliasejtek szubpopulációjáról ismert, hogy részt vesznek a központi idegrendszer (KIR) gyulladásos folyamataiban egyrészt fagocita funkcióval, másrészt a proteinázok felszabadításával, valamint a citokin termelésének képességével (Hirsch et al., 1998).

A citokinek nagy családjába olyan peptid molekulák tartoznak, melyek a sejtkommunikációban, a sejtnövekedésben és a gyulladásos folyamatban is részt vesznek. A gyulladásos citokinek közül legismertebb az IL-1, IL-2, IL-4, IL-6, IFN-gamma és a TNF-alfa. (6. táblázat)

Az IFN-gamma-t az aktivált CD4⁺ CD8⁺ és "natural killer sejtek" termelik, míg a KIR-ben a mikroglia, astrocita és a limphocita a fő forrása. Fontos szerepe van a MHC I és II osztály expressziójának modulálásában, valamint szintén képes stimulálni NO képződést. A TNF-alfa egy potenciálisan toxikus citokin, mely a mikrogliák és az astrociták által szintetizált polipeptid. Hatását membrán lokalizált receptorokon fejti ki.

Az említett citokinek gyulladásos reakciót indukálhatnak, amely részét képezheti a különböző mechanizmusok által létrejött neurondegenerációnak. Ezen folyamatok jelen vannak számos neurodegeneratíve kórképben, mint a Parkinson-kórban, Alzheimer-kórban, sclerosis multiplexben, illetve az ischaemias károsodásban.

5. Terápiás lehetőségeink, céljaink

A progresszív lefolyású neurodegeneratív kórképek hatékony tüneti kezelése mellett a neuroprotektív hatású, valamint a neurorestauratív terápiának is fontos létjogosultsága lenne. A neuroprotekció a sejtpusztulás mértékének csökkentésére utal, míg a neuro-restauratív terápia a funkcionális értelemben vett helyreállítást jelenti (Fernandez-Espejo, 2004). A kórképek pathobiokémiai folyamatai évekkel korábban kezdődnek, mint hogy a klinikai tünetek kialakulnak. Így bár az ideális terápia a prevenció, illetve a progresszió megállítása lenne, egyelőre csak a progresszió lassítására, valamint tüneti terápia alkalmazására törekedhetünk. Parkinson-kór esetében napjaink hatékony tüneti kezelései közül preklinikai vizsgálatokban számos bizonyult neuroprotektív hatásúnak (Knoll et al., 1966; Magyar et al., 1967): a deprenyl (selegilin), az amantadin és a dopaminagonisták is.

A neurodegeneratív kórképek pathomechanizmusában szerepet játszó tényezőket figyelembe véve számos target-je lehetne a neuroprotektív terápiának. A kérdés az, hogy mire helyezzük a hangsúlyt a kezelés során: az oxidatív stressz, a mitokondriális diszfunkció, excitotoxicus vagy a gyulladásos folyamatok megelőzésére. Ezeket a lehetőségeket figyelembe véve nagyszámú farmakon került kifejlesztésre és áll vizsgálatok alatt. Minden bizonnyal több támadásponton ható gyógyszerkomplex alkalmazása lesz a leghatékonyabb terápia.

A neurodegeneratív kórképek alapvető problémája az idegsejtek súlyos károsodása, s következésképpen funkciójuk részleges vagy teljes elvesztése. A huszadik század orvostudományának egyik nagy vívmánya a molekuláris genetika alkalmazása a diagnosztikában. A huszonegyedik században pedig valószínűleg a génsebészeti és géntechnológiai eljárások terápiás alkalmazási lehetőségei fognak tágabb teret kapni.

A kutatásokat az alábbi források támogatták: ETT 010/2003, Bio-00100/2002 O.M., és NKTH 08/2004.

Kulcsszavak: neurodegeneráció, excitotoxicitás, mitokondriális funkciózavar, szabad gyök, neuroprotekció, gliasejt funkció

1. ábra * Huntington-kórban szenvedő beteg agya (balra); egészséges agy (jobbra)

Betegség neve Klinikai tünetek Parkinson-kór végtagremegés, mozgásmennyiség- csökkenés, izommerevség, egyensúlyzavar Alzheimer-kór memória romlása, fokális kérgi tünetek, személyiségváltozás, járászavar, vegetatív funkciók zavara Huntington-kór akaratlan végtagmozgás, memóriahanyatlás, személyiségváltozás Cerebellaris ataxiák járászavar, beszédnehezítettség, végtagi deformitások, kardiális eltérések

1. táblázat * Neurodegeneratív kórképek és klinikai tünetek

2. ábra * A mitokondrium struktúrája

3. ábra * Az NMDA receptor vázlatos struktúrája (Glu: glutaminsav, Gly: glicin, PCP: phencyclidin)

a. A neuron parciális depolarizációja, mely az excitátoros aminosav receptorok aktivációjával jár.

b. Megzavart az intracellularis kálciumpuffer rendszer.

c. Szabadgyök-termelés emelkedik.

d. Intracellularis kálciumionszint-emelkedés fokozott szabadgyök képződéshez és a NOS aktiválódásához vezet.

2. táblázat * A mitokondriális energiatermelés zavarának következményei

a. A membránok kettős lipidrétegével reakcióba lépve megváltoztatják annak fluiditását, és toxikus anyagokat képeznek (reagálva a membrán lipidekkel).

b. Proteineket károsítanak, így enzimek inaktiválódnak, sejtfunkciók esnek ki.

c. DNS-sel és az RNS-sel is reagálnak, ami megváltoztatja a transzkripció és transzláció folyamatát.

d. A szabad gyökök a programozott sejthalál (apoptózis) indukciójában és mediálásában is fontos szereplők.

3. táblázat * A szabad gyökök jelentősége

	Neurodegeneráció	Neuroprotekció

	Energiadeficit		Endogén faktorok: 
	Szabad gyök		- enzimek
	Excitotoxicitás		- antioxidáns molekulák
				- gliális trofikus faktorok 
				- endogén NMDA receptor antagonista	

4. táblázat * A sejt neurodegeneratív és neuroprotektív elemei

a. Gliasejt által termelt neurotrofikus faktor, bázikus fibroblaszt növekedési faktor.

b. Dopamin és oxigén szabad gyököt katabolizáló kapacitása. (MAO-B, glutation peroxidáz)

c. A triptofánból keletkező kinurenin kinolinsavvá és kinurénsavvá metabolizálódik. Az előbbi NMDA receptor agonista, míg az utóbbi NMDA antagonista, tehát egy endogén glutamát antagonista, gliális erdetű.

5. táblázat * Neuroprotektív gliális faktorok

4. ábra * Szabadgyök károsítás elemei

a. Az arachidonsav felszabadításával szabadgyök-képződést segít elő.

b. Stimulálja a NO képződését. NO az arginin - citrullin átalakulás NOS (kálcium aktiválta nitric-oxid szintetáz) által mediált folyamatában képződik. Az NO. szuperoxiddal reagálva peroxinitritté (ONOO^- és hydroxillá (OH.) alakul. A substantia nigra pars compacta területén a gliasejtek NOS aktivitása fokozott, támogatva, hogy a gliasejtek jelentős forrásai az NO. képződésnek.

c. Növeli az intracellularis Ca⁺⁺ koncentrációt.

6. táblázat * Az IL-1 károsító hatásának feltételezett mechanizmusai

Irodalom

Andersen, Julie K. (2004): Oxidative Stress in Neurodegeneration: Cause Or Consequence? Nature Medicine Supplements. S18-25.

Bossy-Wetzel, Ella - Schwarzenbacher, R. - Lipton, S. A. (2004): Molecular Pathways to Neurodegeneration. Nature Medicine Supplements. S2-9.

Beal, M. Flint (2003): Mitochondria, Oxidative Damage, and Inflammation in Parkinson's Disease. Annals of the New York Academy of Sciences. 991, 120-131.

Beal, M. Flint (1997): Oxidative Damage in Neurodegenerative Diseases. The Neuroscientist. 3, 21-27.

Beal, M. Flint - Vécsei László (1992): Excitatory Amino Acids in the Pathogenesis of Neurodegenerative Disorders. In: Vécsei László - Freese, A. - Swartz, K. J. - Beal, M. F. (eds.) Neurological Disorders. Novel Experimental and Therapeutic Strategies. Ellis Horwood, Chichester

Fernandez-Espejo, Emilio (2004): Pathogenesis of Parkinson's Disease: Prospects of Neuroprotective and Restorative Therapies. Molecular Neurobiology. 29, 15-30.

Gárdián Gabriella - Vécsei László (2004): Huntington's Disease: Pathomechanism and Therapeutic Perspectives. Journal of Neural Transmission. 111, 1485-94

Hirsch, Etienne C. - Hunot, S. - Damier, P. - Faucheux, B. (1998): Glial Cells and Inflammation in Parkinson's Disease: A Role in Neurodegeneration? Annals of Neurology. 44. (Suppl 1). S115-S120.

Knoll József - Vizi E. Sz. - Ecseri Z. (1966): Psychomimetic Methylamphetamine Derivatives. Archives Internationales de Pharmacodynamie et de Therapie. 159, 442-451.

Manfredi, Giovanni - Beal, M. Flint (2000): The Role of Mitochondria in the Pathogenesis of Neurodegenerative Diseases. Brain Pathology. 10, 462-72.

Magyar Kálmán - Vizi E. Sz. - Ecsery Z. - Knoll J. (1967): Comparative Pharmacological Analysis of the Optical Isomers of Phenyl-isopropryl-methyl-propylamine (E-250). Acta Physiologica Academiae Scientiarum Hungaricae. 32, 377-387.

Prasad, Kedar N. - Cole, W. C. - Hovland, A. R. - Prasad, K. C. - Nahreini, P. - Kumar, B. - Edwards-Prasad, J. - Andreatta, C. P. (1999): Multiple Antioxidants in the Prevention and Treatment of Neurodegenerative Disease: Analysis of Biologic Rationale. Current Opinion in Neurology. 12, 761-770.

Rego, A. Cristina - Oliveira, Catarina R. (2003): Mitochondrial Dysfunction and Reactive Oxygen Species in Excitotoxicity and Apoptosis: Implications for the Pathogenesis of Neurodegenerative Diseases. Neurochemical Research. 28, 1563-74.

Sas Katalin - Csete K. - Váradi P. - Vécsei L. - Papp J. Gy. (1998): Az idegrendszeri excitotoxinok patológiai és klinikai jelentősége I. Lege Artis Medicinae. 8, 406-421.

Sas Katalin - Csete K. - Váradi P. - Vécsei L. - Papp J. Gy. (1998): Az idegrendszeri excitotoxinok patológiai és klinikai jelentősége II. Lege Artis Medicinae. 8, 494-502.

Browne, Susan E. - Beal, M. Flint (2004): The Energetics of Huntington's Disease. Neurochemical Research. 29, 531-46.

Vécsei László - Dibó Gy. - Kiss Cs. (1998): Neurotoxins and Neurodegenerative Disorders. Neurotoxicology. 19, 511-514.