Biokemi av Alzheimers sjukdom

Biokemin av Alzheimers sjukdom , den vanligaste orsaken till demens , är ännu inte särskilt väl förstått. Alzheimers sjukdom (AD) har identifierats som en proteopati : en proteinfelveckningssjukdom på grund av ackumulering av onormalt veckat amyloid beta (Aβ)-protein i hjärnan . Amyloid beta är en kort peptid som är en onormal proteolytisk biprodukt av transmembranproteinet amyloid-beta prekursorprotein ( APP), vars funktion är oklar men tros vara involverad i neuronal utveckling. Preseniliner är komponenter i proteolytiska komplex involverade i APP-bearbetning och nedbrytning .

Amyloid beta monomerer är lösliga och innehåller korta områden av beta ark och polyprolin II helix sekundära strukturer i lösning, även om de är till stor del alfa helix i membran; vid tillräckligt hög koncentration genomgår de emellertid en dramatisk konformationsförändring för att bilda en beta-arkrik tertiär struktur som aggregerar för att bilda amyloidfibriller . Dessa fibriller och oligomera former av Aβ avsätter sig utanför neuroner i formationer som kallas senila plack . Det finns olika typer av plack, inklusive diffusa , kompakta , kärnade eller neuritiska placktyper , såväl som Aβ-avlagringar i väggarna av små blodkärlsväggar i hjärnan som kallas cerebral amyloidangiopati .

AD anses också vara en tauopati på grund av onormal aggregation av tau-proteinet , ett mikrotubuli-associerat protein uttryckt i neuroner som normalt verkar för att stabilisera mikrotubuli i cellcytoskelettet . Liksom de flesta mikrotubuli-associerade proteiner regleras tau normalt av fosforylering ; Men vid Alzheimers sjukdom ackumuleras hyperfosforylerad tau som parade spiralformade filament som i sin tur aggregeras till massor inuti nervcellskroppar kända som neurofibrillära trassel och som dystrofiska neuriter associerade med amyloidplack. Även om lite är känt om processen för filamentsammansättning, har utarmning av ett prolylisomerasprotein i parvulinfamiljen visat sig påskynda ackumuleringen av onormal tau.

Neuroinflammation är också involverad i den komplexa kaskaden som leder till AD-patologi och symtom. Betydande patologiska och kliniska bevis dokumenterar immunologiska förändringar associerade med AD, inklusive ökade pro-inflammatoriska cytokinkoncentrationer i blodet och cerebrospinalvätskan. Huruvida dessa förändringar kan vara en orsak eller konsekvens av AD återstår att förstå fullt ut, men inflammation i hjärnan, inklusive ökad reaktivitet hos den inhemska mikroglia mot amyloidavlagringar, har varit inblandad i patogenesen och progressionen av AD. Mycket av den kända biokemin av Alzheimers sjukdom har dechiffrerats genom forskning med hjälp av experimentella modeller av Alzheimers sjukdom .

Neuropatologi

På en makroskopisk nivå kännetecknas AD av förlust av neuroner och synapser i hjärnbarken och vissa subkortikala regioner. Detta resulterar i grov atrofi av de drabbade regionerna, inklusive degeneration i tinningloben och parietalloben , och delar av frontal cortex och cingulate gyrus .

Både amyloidplack och neurofibrillära tovor är tydligt synliga genom mikroskopi i AD-hjärnor. Plack är täta, mestadels olösliga avlagringar av protein och cellulärt material utanför och runt neuroner. Tangles är olösliga tvinnade fibrer som byggs upp inuti nervcellen. Även om många äldre utvecklar vissa plack och trassel, har hjärnan hos AD-patienter dem i mycket större utsträckning och på olika platser i hjärnan.

Biokemiska egenskaper

Grundläggande för förståelsen av Alzheimers sjukdom är de biokemiska händelserna som leder till ackumulering av amyloid-beta-plack och tau-proteintrassel. En känslig balans av enzymsekretaserna reglerar amyloid-beta-ackumuleringen. Alpha Secretase kan göra en icke-patologisk (icke-amyloidogen) Amyloid Beta (DOI: 10.2174/156720512799361655). Nyligen har ett samband mellan kolinerg neuronal aktivitet och aktiviteten av alfa-sekretas framhävts, vilket kan motverka avlagring av amyloid-beta-proteiner i hjärnan hos patienter med Alzheimers sjukdom. Alzheimers sjukdom har identifierats som en proteinfelveckningssjukdom , eller proteopati , på grund av ackumuleringen av onormalt veckade amyloid-betaproteiner i hjärnan hos AD-patienter. Onormal amyloid-beta-ackumulering kan först upptäckas med hjälp av cerebrospinalvätskeanalys och senare med positronemissionstomografi (PET).

Även om AD delar patofysiologiska mekanismer med prionsjukdomar, är det inte överförbart som prionsjukdomar. Amyloid-beta, även skrivet Aβ, är en kort peptid som är en proteolytisk biprodukt av det transmembrana proteinet amyloidprekursorprotein (APP), vars funktion är oklar men tros vara involverad i neuronal utveckling. Preseniliner är komponenter i ett proteolytiskt komplex involverat i APP-bearbetning och nedbrytning . Även om amyloida betamonomerer är ofarliga, genomgår de en dramatisk konformationsförändring vid tillräckligt hög koncentration för att bilda en betaarkrik tertiär struktur som aggregeras för att bilda amyloidfibriller som avsätts utanför neuroner i täta formationer som kallas senila plack eller neuritiska plack , i mindre täthet. aggregeras som diffusa plack , och ibland i väggarna i små blodkärl i hjärnan i en process som kallas amyloid angiopati eller kongofil angiopati .

AD anses också vara en tauopati på grund av onormal aggregation av tau-proteinet , ett mikrotubuli-associerat protein uttryckt i neuroner som normalt verkar för att stabilisera mikrotubuli i cellcytoskelettet . Liksom de flesta mikrotubuli-associerade proteiner regleras tau normalt av fosforylering ; Men hos AD-patienter ackumuleras hyperfosforylerad tau som parade spiralformade filament som i sin tur aggregeras till massor inuti nervcellskroppar som kallas neurofibrillära trassel och som dystrofiska neuriter associerade med amyloidplack.

Nivåerna av signalsubstansen acetylkolin (ACh) minskar. Nivåer av andra signalsubstanser serotonin , noradrenalin och somatostatin minskar också ofta. Att fylla på ACh med anti-kolinesteraser är ett godkänt behandlingssätt av FDA. En alternativ metod för att stimulera ACh-receptorer av M1-M3-typer av syntetiska agonister som har en långsammare dissociationshastighet från receptorn har föreslagits som nästa generations kolinomimetika vid Alzheimers sjukdom [15 ^] .

Potentiella sjukdomsmekanismer

Medan de grova histologiska egenskaperna hos AD i hjärnan har karakteriserats väl, har flera olika hypoteser framförts angående den primära orsaken. Bland de äldsta hypoteserna är den kolinerga hypotesen, som tyder på att brist på kolinerg signalering initierar sjukdomens fortskridande. Andra hypoteser tyder på att antingen felveckning av tau-protein inuti cellen eller aggregering av amyloid beta utanför cellen initierar kaskaden som leder till AD-patologi. Ytterligare andra hypoteser föreslår metabola faktorer, vaskulär störning eller kroniskt förhöjd inflammation i hjärnan som den primära orsaken till AD. Medan forskare inte har identifierat en tydlig orsaksväg som härrör från någon av de molekylära hypoteserna som förklarar de grova anatomiska förändringarna som observerats vid avancerad AD, har varianter av amyloid betahypotesen om molekylär initiering blivit dominerande bland många forskare hittills

Kolinerg hypotes

Den kolinerga hypotesen om AD-utveckling föreslogs först 1976 av Peter Davies och AJF Maloney. Den säger att Alzheimers börjar som en brist i produktionen av acetylkolin , en viktig neurotransmittor . Mycket tidig terapeutisk forskning baserades på denna hypotes, inklusive restaurering av de "kolinerga kärnorna". Möjligheten till cellersättningsterapi undersöktes utifrån denna hypotes. Alla första generationens anti-Alzheimers mediciner är baserade på denna hypotes och arbetar för att bevara acetylkolin genom att hämma acetylkolinesteraser (enzymer som bryter ner acetylkolin). Dessa mediciner, även om de ibland är fördelaktiga, har inte lett till ett botemedel. I samtliga fall har de tjänat till att endast behandla symtom på sjukdomen och har varken stoppat eller vänt den. Dessa resultat och annan forskning har lett till slutsatsen att acetylkolinbrister kanske inte är direkt orsakssamband, utan är ett resultat av omfattande hjärnvävnadsskador, skador så utbredda att cellersättningsterapier sannolikt är opraktiska.

Nyare hypoteser fokuserar på effekterna av de felveckade och aggregerade proteinerna, amyloid beta och tau. De två ståndpunkterna beskrivs lättsamt som "baptistiska" och "tauistiska" synpunkter i en vetenskaplig publikation. Däri föreslås det att "Tau-ister" tror att tau -proteinavvikelserna initierar sjukdomskaskaden, medan "baptister" tror att beta-amyloidavlagringar är den orsakande faktorn i sjukdomen.

Tau hypotes

Hypotesen att tau är den primära orsaksfaktorn har länge varit grundad i observationen att avsättning av amyloidplack inte korrelerar bra med neuronförlust. En mekanism för neurotoxicitet har föreslagits baserat på förlusten av mikrotubulistabiliserande tau-protein som leder till nedbrytning av cytoskelettet. Emellertid har konsensus inte uppnåtts om huruvida tau-hyperfosforylering föregår eller orsakas av bildandet av de onormala spiralformade filamentaggregaten. Stöd för tau-hypotesen härrör också från förekomsten av andra sjukdomar kända som tauopatier där samma protein är identifierbart felveckat. En majoritet av forskarna stöder dock den alternativa hypotesen att amyloid är det primära orsaksmedlet.

Amyloidhypotes

Amyloidhypotesen är initialt övertygande eftersom genen för amyloid beta-prekursorn APP finns på kromosom 21 , och patienter med trisomi 21 – mer känt som Downs syndrom – som har en extra genkopia uppvisar AD-liknande störningar vid 40 års ålder. Amyloidhypotesen pekar på cytotoxiciteten hos mogna aggregerade amyloidfibriller, som tros vara den toxiska formen av proteinet som ansvarar för att störa cellens kalciumjonhomeostas och därmed inducera apoptos . Denna hypotes stöds av observationen att högre nivåer av en variant av beta-amyloidproteinet som är känt för att bilda fibriller snabbare in vitro korrelerar med tidigare debut och större kognitiv försämring i musmodeller och med AD-diagnos hos människor. Mekanismer för det inducerade kalciuminflödet, eller förslag på alternativa cytotoxiska mekanismer, av mogna fibriller är emellertid inte uppenbara.

Flödesschema som visar rollen av apomorfin vid Alzheimers sjukdom.

En nyare variant av amyloidhypotesen identifierar den cytotoxiska arten som en mellanliggande felvikt form av amyloid beta, varken en löslig monomer eller en mogen aggregerad polymer utan en oligomer art, möjligen toroidal eller stjärnformad med en central kanal som kan inducera apoptos genom fysiskt genomborra cellmembranet. Denna jonkanalhypotes postulerar att oligomerer av lösligt, icke-fibrillärt Aβ bildar membranjonkanaler som tillåter oreglerat kalciuminflöde till neuroner. Ett relaterat alternativ antyder att en globulär oligomer lokaliserad till dendritiska processer och axoner i neuroner är den cytotoxiska arten. De prefibrillära aggregaten visade sig kunna störa membranet.

Den cytotoxiska fibrillhypotesen presenterar ett tydligt mål för läkemedelsutveckling: hämma fibrilleringsprocessen. Mycket tidigt utvecklingsarbete på blyföreningar har fokuserat på denna hämning; de flesta rapporteras också minska neurotoxicitet, men teorin om toxisk-oligomer skulle innebära att förhindrande av oligomer sammansättning är den viktigaste processen eller att ett bättre mål ligger uppströms, till exempel i hämningen av APP-bearbetning till amyloid beta. Till exempel apomorfin avsevärt förbättra minnesfunktionen genom det ökade framgångsrika genomförandet av Morris Water Maze .

Löslig intracellulär (o)Aβ42

Två artiklar har visat att oligomer (o)Aβ42 (en art av Aβ), i löslig intracellulär form, akut hämmar synaptisk transmission , en patofysiologi som kännetecknar AD (i dess tidiga stadier), genom att aktivera kaseinkinas 2 .

Inflammatorisk hypotes

Konvergerande bevis tyder på/stödjer att ett ihållande inflammatoriskt svar i hjärnan är ett centralt inslag i AD-patologi och kan vara en nyckelfaktor i AD-patogenes. Hjärnan hos AD-patienter uppvisar flera markörer för ökad inflammatorisk signalering. Den inflammatoriska hypotesen föreslår att kroniskt förhöjd inflammation i hjärnan är en avgörande komponent i amyloidkaskaden i de tidiga faserna av AD och förstärker sjukdomens svårighetsgrad i senare stadier av AD. Aβ finns i friska hjärnor och fyller en viktig fysiologisk funktion vid återhämtning från neuronal skada, skydd mot infektion och reparation av blod-hjärnbarriären, men det är okänt hur Aβ-produktionen börjar överskrida hjärnans clearance-kapacitet och initierar AD progression. En möjlig förklaring är att Aβ gör att mikroglia , hjärnans residenta immuncell, aktiveras och utsöndrar pro-inflammatoriska signalmolekyler, kallade cytokiner , som rekryterar andra lokala mikroglia. Medan akut mikroglialaktivering, som svar på skada, är fördelaktig och tillåter mikroglia att rensa Aβ och annat cellulärt skräp via fagocytos, uppvisar kroniskt aktiverade mikroglia minskad effektivitet i Aβ-clearance. Trots denna minskade AB-clearance-kapacitet fortsätter aktiverade mikroglia att utsöndra pro-inflammatoriska cytokiner som interleukin 1β och 6 (IL-6, IL-1β) och tumörnekrosfaktor-alfa (TNF-a), såväl som reaktiva syrearter som stör sund synaptisk funktion och så småningom orsaka neuronal död. Förlusten av synaptisk funktion och senare neuronal död är ansvarig för kognitiva försämringar och förlust av volym i viktiga hjärnregioner som är associerade med AD. IL-1B, IL-6 och TNF-a orsakar ytterligare produktion av Aβ-oligomerer, såväl som tau-hyperfosforylering, vilket leder till fortsatt mikrogliaaktivering och skapar en feed-forward-mekanism där Aβ-produktionen ökar och Aβ-clearancen minskar, vilket så småningom orsakar bildning av Ap-plack.

Kolesterolhypotes

Kolesterolhypotesen är en kombination av amyloidhypotesen, tauhypotesen och potentiellt den inflammatoriska hypotesen. Kolesterol visade sig vara uppströms från både amyloid- och tau-produktion. Kolesterolet produceras i astrocyterna och skickas till neuroner där det aktiverar amyloidproduktionen genom en process som kallas substratpresentation . Processen krävde apoE. Kolesterols reglering av Tau-produktion är mindre välkänd, men att slå ut kolesterolsyntesenzymet SREBP2 minskade Tau-fosforyleringen. Medfödd immunitet utlöser kolesterolsyntes och celler tar upp kolesterolet. Förmodligen dör en cell i hjärnan med hög ålder och detta utlöser medfödd immunitet. Fler studier behövs för att direkt koppla den inflammatoriska hypotesen till kolesterolsyntesen i hjärnan.

Reelin hypotes

En relativt ny hypotes baserad huvudsakligen på gnagarexperiment kopplar uppkomsten av Alzheimers sjukdom till hypofunktionen hos det stora extracellulära proteinet reelin . En minskning av reelin i den mänskliga entorhinala cortex där sjukdomen typiskt initierar är uppenbar medan kompenserande ökning av reelinnivåer i andra hjärnstrukturer hos patienterna också rapporteras. Av nyckelvikt räddar överuttryck av reelin den kognitiva kapaciteten hos Alzheimers sjukdomsmodellmöss och τ-proteinöveruttryckande möss. En nyligen genomförd kretsnivåmodell föreslog en mekanism för hur utarmning av reelin leder till tidig försämring av episodiskt minne och därigenom lägger den teoretiska grunden för reelin-hypotesen.

Isoprenoida förändringar

En studie från 1994 visade att isoprenoidförändringarna vid Alzheimers sjukdom skiljer sig från de som inträffar under normalt åldrande och att denna sjukdom därför inte kan ses som ett resultat av för tidigt åldrande . Under åldrandet visar den mänskliga hjärnan en progressiv ökning av nivåerna av dolichol , en minskning av nivåerna av ubikinon , men relativt oförändrade koncentrationer av kolesterol och dolichylfosfat. Vid Alzheimers sjukdom är situationen omvänd med minskade nivåer av dolichol och ökade nivåer av ubikinon . Koncentrationerna av dolichylfosfat ökar också, medan kolesterolet förblir oförändrat. Ökningen av sockerbäraren dolichylfosfat kan återspegla en ökad glykosyleringshastighet i den sjuka hjärnan och ökningen av den endogena antioxidanten ubiquinon ett försök att skydda hjärnan från oxidativ stress , till exempel inducerad av lipidperoxidation . Ropren , som tidigare identifierats i Ryssland, är neuroprotektiv i en råttmodell av Alzheimers sjukdom.

Glukoskonsumtion

Den mänskliga hjärnan är ett av de mest metaboliskt aktiva organen i kroppen och metaboliserar en stor mängd glukos för att producera cellulär energi i form av adenosintrifosfat (ATP). Trots sina höga energibehov är hjärnan relativt oflexibel i sin förmåga att utnyttja substrat för energiproduktion och förlitar sig nästan helt på cirkulerande glukos för sitt energibehov. Detta beroende av glukos utsätter hjärnan för risk om tillförseln av glukos avbryts, eller om dess förmåga att metabolisera glukos blir defekt. Om hjärnan inte kan producera ATP kan synapser inte upprätthållas och celler kan inte fungera, vilket i slutändan leder till nedsatt kognition.

Avbildningsstudier har visat minskat utnyttjande av glukos i hjärnan hos patienter med Alzheimers sjukdom tidigt i sjukdomen, innan kliniska tecken på kognitiv funktionsnedsättning uppstår. Denna minskning av glukosmetabolismen förvärras när kliniska symtom utvecklas och sjukdomen fortskrider. Studier har funnit en 17-24% minskning av cerebral glukosmetabolism hos patienter med Alzheimers sjukdom, jämfört med åldersmatchade kontroller. Många avbildningsstudier har sedan dess bekräftat denna observation.

Onormalt låga nivåer av cerebral glukosmetabolism återfinns i ett karakteristiskt mönster i Alzheimers sjukdoms hjärna, särskilt i den bakre cingulate, parietala, temporala och prefrontala cortexen. Dessa hjärnregioner tros styra flera aspekter av minne och kognition . Detta metaboliska mönster är reproducerbart och har till och med föreslagits som ett diagnostiskt verktyg för Alzheimers sjukdom. Dessutom korrelerar minskad cerebral glukosmetabolism (DCGM) med plackdensitet och kognitiva underskott hos patienter med mer avancerad sjukdom.

Minskad cerebral glukosmetabolism (DCGM) kanske inte enbart är en artefakt av hjärncellsförlust eftersom det förekommer hos asymtomatiska patienter med risk för Alzheimers sjukdom, såsom patienter som är homozygota för epsilon 4-varianten av apolipoprotein E-genen (APOE4, en genetisk riskfaktor ) . för Alzheimers sjukdom), såväl som i ärftliga former av Alzheimers sjukdom. Med tanke på att DCGM inträffar innan andra kliniska och patologiska förändringar inträffar, är det osannolikt att det beror på den grova cellförlust som observeras vid Alzheimers sjukdom.

I avbildningsstudier som involverade unga vuxna APOE4-bärare, där det inte fanns några tecken på kognitiv funktionsnedsättning, upptäcktes minskad cerebral glukosmetabolism (DCGM) i samma delar av hjärnan som äldre patienter med Alzheimers sjukdom. DCGM är dock inte exklusivt för APOE4-operatörer. När Alzheimers har diagnostiserats förekommer DCGM i genotyperna APOE3/E4, APOE3/E3 och APOE4/E4. DCGM är således en metabolisk biomarkör för sjukdomstillståndet.

Insulinsignalering

Ett samband har etablerats mellan Alzheimers sjukdom och diabetes under det senaste decenniet, eftersom insulinresistens , som är ett karakteristiskt kännetecken för diabetes , också har observerats i hjärnan hos patienter med Alzheimers sjukdom. Neurotoxiska oligomera amyloid-β- arter minskar uttrycket av insulinreceptorer på den neuronala cellytan och avskaffar neuronal insulinsignalering. Det har föreslagits att neuronala gangliosider , som deltar i bildandet av membranlipidmikrodomäner, underlättar amyloid-β-inducerat avlägsnande av insulinreceptorerna från neuronytan. Vid Alzheimers sjukdom utlöser oligomera amyloid-β-arter TNF-α- signalering. c-Jun N-terminal kinasaktivering av TNF-α aktiverar i sin tur stressrelaterade kinaser och resulterar i IRS-1 serinfosforylering, som därefter blockerar nedströms insulinsignalering. Den resulterande insulinresistensen bidrar till kognitiv försämring. Följaktligen kan ökad neuronal insulinkänslighet och signalering utgöra ett nytt terapeutiskt tillvägagångssätt för att behandla Alzheimers sjukdom.

Oxidativ stress

Oxidativ stress framträder som en nyckelfaktor i patogenesen av AD. Överproduktion av reaktiva syrearter (ROS) tros spela en avgörande roll i ackumuleringen och avsättningen av amyloid beta i AD. Hjärnor hos AD-patienter har förhöjda nivåer av oxidativ DNA-skada i både nukleärt och mitokondriellt DNA , men mitokondriella DNA har ungefär 10 gånger högre nivåer än nukleärt DNA. Åldrade mitokondrier kan vara den kritiska faktorn i uppkomsten av neurodegeneration i AD. Även individer med mild kognitiv funktionsnedsättning , fasen mellan normalt åldrande och tidig demens, har ökad oxidativ skada i deras kärn- och mitokondriella hjärn-DNA (se Åldrande hjärna ).

Stor geninstabilitetshypotes

En bioinformatikanalys 2017 avslöjade att extremt stora mänskliga gener är signifikant överuttryckta i hjärnan och deltar i den postsynaptiska arkitekturen. Dessa gener är också mycket berikade i termer av celladhesion Gene Ontology (GO) och kartläggs ofta till kromosomala ömtåliga platser. Majoriteten av kända genprodukter för Alzheimers sjukdom, inklusive amyloidprekursorproteinet (APP) och gamma-sekretas, såväl som APOE-receptorerna och GWAS-riskloki, deltar i liknande celladhesionsmekanismer. Man drog slutsatsen att dysfunktion av cell och synaptisk adhesion är central för Alzheimers sjukdoms patogenes, och mutationsinstabilitet hos stora synaptiska adhesionsgener kan vara den etiologiska utlösaren av störningar i neurotransmission och synaptisk förlust i hjärnans åldrande. Som ett typiskt exempel förklarar denna hypotes APOE-risklokuset för AD i samband med signalering av dess gigantiska lipoproteinreceptor, LRP1b, som är en stor tumörsuppressorgen med hjärnspecifikt uttryck och även mappar till ett instabilt kromosomalt bräckligt ställe. Hypotesen om stora geninstabilitet sätter DNA-skadamekanismen i centrum för Alzheimers sjukdoms patofysiologi.

DNA-skada

Naturligt förekommande DNA-dubbelsträngsbrott (DSB) uppstår i mänskliga celler till stor del från enkelsträngsbrott inducerade av olika processer inklusive aktiviteten hos reaktiva syrearter, topoisomeraser och hydrolys på grund av termiska fluktuationer. I neuroner induceras DSB av ett typ II topoisomeras som en del av den fysiologiska processen för minnesbildning. DSB finns i både neuroner och astrocyter i postmortem human hippocampus hos AD-patienter på en högre nivå än hos icke-AD-individer. AD är associerad med en ansamling av DSB i neuroner och astrocyter i hippocampus och frontal cortex från tidiga stadier och framåt. DSB ökar i närheten av amyloidplack i hippocampus, vilket indikerar en potentiell roll för Aβ i DSB-ackumulering eller vice versa. Den dominerande mekanismen för att reparera DNA-dubbelsträngsbrott är icke-homolog ändförbindning (NHEJ), en mekanism som använder det DNA-beroende proteinkinaskomplexet (DNA-PK). Slutförbindningsaktiviteten och proteinnivåerna för DNA-PK-katalytiska subenheter är signifikant lägre i AD-hjärnor än i normala hjärnor.