| |
De verschillende
vormen van seniele dementie zijn, na hart- en vaatziekten en kanker, de
voornaamste doodsoorzaak in onze westerse maatschappij. Door de
blijvende stijging van de levensverwachting, mede door verbeterde
opsporing en behandeling van voornoemde aandoeningen, zal dementie
proportioneel een steeds belangrijker sociaal en medisch probleem
worden. Bovendien is dit een extra moeilijk probleem omwille van het
specifieke ziekteverloop van dementie - letterlijk verontmenselijken -
hetgeen een zeer zware weerslag heeft op de directe naastbestaanden die
de patiënt goed gekend hebben. In de leeftijdsgroepen boven 65 wordt
verwacht dat 10 tot 25% (stijgend met de leeftijd) van de ouderen aan
één of andere vorm van dementie zullen lijden, hetgeen voor België in de
tweede decade van de volgende eeuw meer dan 250.000 patiënten zal
vertegenwoordigen.
Er zijn verschillende types van seniele dementie, maar minstens 2 op 3
gevallen zijn toe te schrijven aan de ziekte van Alzheimer of
Alzheimer’s Dementie (AD), hetgeen ook verklaart waarom het
wetenschappelijk onderzoek zich vooral op deze vorm toespitst. In de
meeste gevallen is er voor AD een genetische voorbeschiktheid aanwezig
in de familie, terwijl er ook een klein aantal echte genetische vormen
gekend zijn, die dominant, dus op een echte mendeliaanse wijze
overgeërfd worden. Samen hebben de genetische onderzoeken de zeer
belangrijke aanknopingspunten opgeleverd, die noodzakelijk zijn om de
moleculaire oorzaken van AD te achterhalen en aldus, op langere termijn,
preventief of curatief te kunnen gaan ingrijpen. In dit korte bestek
willen wij nader ingaan op de huidige stand van genetische kennis van de
ziekte van Alzheimer en kort belichten op welke wijze het fundamenteel
wetenschappelijk onderzoek daarop inspeelt.
1. Historiek van de ziekte van Alzheimer
In 1907 schreef Alois Alzheimer, toen psychiater in München, een artikel
onder de titel: Uber eine eigenartige Erkrankung der Hirnrinde. De
patiënte was een 51-jarige vrouw die specifieke gedragsveranderingen
vertoonde, met geheugenstoornissen en hallucinaties. Ze verloor
progressief haar geheugen, werd apathisch en bedlegerig, om tenslotte
volledig hulpeloos en incontinent te overlijden na 5 jaar ziekte.
Alhoewel dergelijke patiënten ook daarvoor al gekend waren, was de
belangrijke bijdrage van Alzheimer dat hij de hersenen van de patiënte
onderzocht. Dit post-mortem onderzoek toonde de eigenaardige structuren
waarnaar de titel van het artikel verwees: een verregaande
macroscopische verschrompeling of atrofie van de hersenen en
microscopische veranderingen die pas zichtbaar werden door een
specifieke kleuringstechniek, zilverkleuring volgens Bielschowsky, die
nu nog gebruikt wordt. Veel neuronen bleken als cel verdwenen en
vervangen door afzettingen, kluwens van fibrillen, die ook
intracellulair, binnenin een derde tot een kwart van de nog aanwezige
neuronen, zichtbaar werden. In de hersenschors of cortex hadden zich
ontelbare foci van afzettingen van een ander type gevormd, eerder amorf,
zonder duidelijke structuur, die amyloïde plakken genoemd worden.
Alzheimer beschreef dergelijke afzettingen ook in de vaatwand van kleine
hersenbloedvaten in deze patiënte en merkte tussen de neuronen grotere
aantallen glia-cellen (steuncellen) op, die er met veel uitlopers en
vetopstapeling, niet normaal uitzagen.
2. Klinische symptomen en diagnose
De microscopisch-pathologische afwijkingen in de hersenen beschreven
door Alois Alzheimer, blijven ook vandaag nog de typische kenmerken van
AD. Ze zijn de basis voor de definitieve, post-mortem diagnose van AD:
neurofibrillaire kluwens of tangles (NFT), extracellulaire, amyloïde
plakken en amyloïde neerslagen in de vaatwanden, over-reactie van
glia-cellen (gliosis) en massale neuronale atrofie. Deze
neurodegeneratie moet de wezenlijke oorzaak zijn van het verlies van de
vitale functies en van de menselijke trekken zoals geheugen, spraak en
gedrag. De precieze mechanismen die deze neuronale celdood veroorzaken,
zijn echter onbekend en vormen de grote doelwitten van het fundamenteel
onderzoek naar AD.
Het is ons nu duidelijk dat de patiënte die Alois Alzheimer beschreef,
leed aan een zogenaamde pre-seniele vorm van AD, met een begin van
aanzet vóór de leeftijd van 65. Méér dan 90% van de AD-patiënten
vertonen echter een seniele vorm van AD, die gedefinieerd wordt doordat
het begin van aanzet van klinische symptomen zich situeert na de
leeftijd van 65. Deze klinische symptomen zijn variabel, maar beginnen
meestal met subtiele veranderingen in het korte-termijn-geheugen dat
progressief slechter wordt of/en met problemen met spreektaal,
ruimtelijke oriëntatie en gedrag. De progressieve aftakeling duurt
gemiddeld 10 jaar, maar kan ook slechts 5 of tot 20 jaar in beslag
nemen.
De heterogeniteit in het verlies van lichaamsfuncties en cognitieve
mogelijkheden kan sterk verschillen, hetgeen de klinische diagnose
uiteraard sterk bemoeilijkt. Deze diagnose is nog steeds een
uitsluitingsdiagnose, m.a.w. er bestaat geen éénduidige klinische,
genetische of biochemische test om AD op te sporen of aan te tonen:
slechts een combinatie van neurologisch onderzoek en neuropsychologische
testen, eventueel samen met een hersen-scan, en vooral uitsluiting van
enige andere ziekte, laat toe met enige zekerheid (méér dan 80%) de
diagnose van AD te stellen. Deze diagnose wordt echter pas definitief
door microscopisch, post-mortem onderzoek van de hersenen, in essentie
hetzelfde onderzoek gebruikt door Alzheimer in het begin van deze eeuw.
3. Genetische studies in AD
Voor alle duidelijkheid moet gesteld worden dat in het geheel van alle
AD-patiënten verschillende genetische mechanismen of entiteiten moeten
onderscheiden worden waarbij minstens even belangrijk is dat zowel het
uiteindelijk klinisch beeld als de moleculaire diagnostische parameters,
voor alle AD gevallen dezelfde of tenminste zeer vergelijkbaar zijn.
Omwille van deze convergentie, waarbij vanuit verschillende oorzaken
hetzelfde ziektebeeld ontstaat, is het belangrijk van elk het mechanisme
te leren kennen.
3.1. Vroege of familiale vormen van AD (pre-seniel) worden
mendeliaans, autosomaal dominant overgeërfd en worden veroorzaakt door
mutaties in het APP-gen op chromosoom 21 (1% van alle AD gevallen) of in
de preseniline-genen, PS-1 en PS-2, gelegen op chromosoom 14 en 1
respectievelijk (samen 5% van alle AD gevallen). Deze vroege of
pre-seniele vormen van AD zijn de meest agressieve, met een begin van
aanzet die zich gemiddeld situeert tussen 35 en 55 jaar, doch die in
enkele AD-gevallen slechts 25 jaar bedroeg. Het verloop van het
ziekteproces is ook korter en de patiënten overleven de eerste symptomen
slechts 7 jaar of minder. Allen samen zijn deze familiale gevallen
gelukkig vrij zeldzaam. Vanuit wetenschappelijk standpunt zijn ze
uitermate belangrijk omdat ze toelaten die genen en mutaties te
identificeren die precies de noodzakelijke moleculaire aanknopingspunten
hebben opgeleverd om fundamenteel onderzoek naar de ontstaansmechanismen
van de neurodegeneratie in AD aan te vatten.
3.2. Late of sporadische vormen van AD kunnen feitelijk
opgedeeld worden in twee groepen: enerzijds met een duidelijke doch
in-directe genetische componente, met name het ApoE gen op chromosoom 19
en anderzijds de toevallige of sporadische vormen van AD, waarin geen
oorzakelijke genen bekend zijn. In de eerste groep is de genetische
ApoE4 variant van het ApoE-gen sterk oververtegenwoordigd: in de
volledige bevolking is de gen-frequentie van het ApoE4 gen slechts 15%,
terwijl in de groep AD-patiënten de frequentie tussen 45 en 55% ligt
(afhankelijk van de studie). Deze totaal onverwachte epidemiologische
vinding heeft tot nog toe geen mechanistische onderbouw, vooral niet
door het feit dat het ApoE4 gen geen directe oorzaak is maar een (de)
belangrijk(st)e risicofactor. In concreto betekent dit dat mensen die
geen drager zijn van het ApoE4 gen (dus ApoE3 of ApoE2 hebben) toch AD
kunnen krijgen, terwijl dragers van 1 of 2 ApoE4 genen (allelen) niet
persé de ziekte hoeven te krijgen. Hun risico is wel respectievelijk 4
en 10 maal hoger dan dragers van een ander ApoE isotype (ApoE3 en ApoE2,
met gen-frequenties van 77 en 8%, respectievelijk in de ganse
bevolking).
Alhoewel in deze gevallen wel een zeker familiaal verband bestaat, met
meerdere AD-patiënten in de familie, in dezelfde of in opeenvolgende
generaties, is er geen strikt herkenbaar mendeliaans overervingspatroon.
Naast ApoE4, moeten dus nog één of meerdere andere genen betrokken zijn
die onafhankelijk van het ApoE gen overgeërfd worden en die pas in
sommige combinaties aanleiding geven tot AD. Het is best mogelijk dat
deze genen verschillend zijn in verschillende families en zelfs in
verschillende patiënten, terwijl bovendien een verschillende invloed van
omgevingsfactoren in rekening gebracht moet worden. Uiteindelijk blijkt
deze vorm van AD dus een multi-genetisch of multi-factorieel probleem te
zijn.
In de strikt sporadische vormen van AD, die samen tot 40% van alle
gevallen uitmaken (afhankelijk van de studie, van de etnische of raciale
groep, van de diagnostische on-zekerheid,...), is noch een familiaal
verband noch een ApoE4-gen effect herkenbaar. Hier wordt aan een
combinatie van een groot aantal genen gedacht, aan spontane mutaties en
aan omgevingsfactoren. Hierbij moet echter ook een verscheiden aantal
secundaire mogelijkheden en moeilijkheden onderkend worden, die kunnen
gaan van problemen met diagnose stelling, waarbij de dementie niet
herkend werd als AD, over sociale problemen tot de mogelijkheid dat om
redenen van andere ziekten, van vaderschap, of te kleine familie, geen
éénduidige genetische of omgevingsfactoren aanwijsbaar zijn.
4. Biochemische en Moleculaire studies
Zonder verdere historiek moeten we ons hier beperken tot een summiere
weergave van de biochemische en moleculaire gegevens die door een
ontelbaar aantal onderzoekers in de laatste 15 jaar zijn verzameld en
die hebben geleid tot een redelijk coherent beeld van de moleculaire
samenstelling, doch nog niet van de functionele implicaties, van de
verschillende morfologische lesies in de hersenen.
4.1. De amyloïde plakken (zowel in de hersenen als in de
vaatwanden) blijken amorfe opstapelingen te zijn van een weinig
oplosbaar peptide (een klein eiwit van 40 tot 43 aminozuren) dat het
amyloïd peptide, of ook ßA4- of Aß-peptide genoemd wordt (de naamgeving
is historisch en niet echt wetenschappelijk). Sindsdien werden nog
andere proteïnen aangetoond in de plakken, die echter ofwel kwantitatief
minder belangrijk zijn en/of verondersteld worden niet wezenlijk deel te
nemen aan het vormingsproces van de plakken. De identificatie van het Aß
peptide, met name de bepaling van de aminozuur-sequentie en de
daaropvolgende moleculaire clonering van het coderend DNA heeft in het
midden van de jaren 80 voor een eerste doorbraak gezorgd in het
moleculair onderzoek naar AD. Dit peptide bleek afkomstig van een veel
groter eiwit, het Amyloïd Precursor Protein (APP) (in het Nederlands,
het amyloïde voorloper proteïne). Deze logische naam verwijst echter
duidelijk niet naar een biologische functie, om de eenvoudige reden dat
we tot vandaag de functie van APP niet kennen.
Op welke manier het Aß-peptide uit APP wordt geknipt, is evenmin
duidelijk: hiervoor zijn minstens 2 verschillende proteolytische enzymen
nodig, die ß- en ( -secretase werden genoemd. Samen met het ( -secretase
dat instaat voor de normale splitsing van APP en dat knipt midden in de
Aß-peptide sequentie, vormen ze het drietal proteinasen waarnaar
intensief fundamenteel onderzoek wordt verricht. Alhoewel hun naam
verwijst naar het proces van secretie, in dit geval van secretie van APP
of van het Aß-peptide, zou het evengoed kunnen staan voor secret of
geheim, vermits van geen van de 3 proteinasen enige moleculaire of
functionele kennis voorhanden is. Het is duidelijk dat het begrijpen van
dit secretieproces één van de sleutels vormt tot het ontstaansmechanisme
van de amyloïde plakken.
Een tweede belangrijk gegeven dat APP direct aan AD koppelt is het feit
dat het APP gen gelegen is op chromosoom 21, in de zogenaamde kritische
regio die verantwoordelijk is voor trisomie 21 of mongolisme.
Merkwaardig genoeg blijken mongooltjes in hun hersenen dezelfde typische
amyloïde plakken en neurofibrillaire tangles te vertonen als
AD-patiënten, maar dan reeds op veel jongere leeftijd. Het is duidelijk
dat door het gen-dosage effect (3 copieën van het APP gen) de
overexpressie van APP leidt tot een teveel aan Aß-peptide en dus tot
amyloïde plakken. Wegens de typische problematiek van mongooltjes is het
niet mogelijk definitief uit te maken of dezelfde mechanismen van
hersen-beschadiging tussenkomen in mongolisme en in AD.
Het derde en meest directe bewijs dat APP fundamenteel belangrijk is in
het onstaansmechanisme van neurodegeneratie in AD was het vinden van
specifieke DNA mutaties in het APP-gen in een twintigtal verschillende
families met een vroege familiale vorm die autosomaal dominant
overgeërfd werd (zie hoger). Bovendien hebben deze mutaties ook een
wetenschappelijk belangrijke aanwijsfunctie naar het moleculair
mechanisme: ze resulteren namelijk allemaal in gewijzigde aminozuren in
de buurt van de drie secretase splitsingsplaatsen in het APP proteïne.
Dit wijst erop dat de mutaties veranderingen in structuur teweegbrengen
in het APP-proteïne, waardoor dit gevoeliger wordt aan andere dan
normale splitsing (door alfa-secretase). Dit werd in vitro, in
cel-culturen, ook aangetoond: meer van het Aß-peptide wordt gesecreteerd
door cellen met een mutant APP gen dan in controle cellen. Het gevormde
Aß-peptide is ook langer, met name 42 of 43 aminozuren in plaats van
Aß-peptide met 40 aminozuren dat overweegt in controle culturen. Dit
werd ook in vivo, in patiënten aangetoond: in de amyloïde plakken in
hersenen wordt in belangrijke mate de langere Aß-peptiden aangetroffen.
4.2. De neurofibrillaire tangles zijn opgebouwd uit
tau-proteïne dat in meerdere specifieke vormen voorkomt: deze ontstaan
zowel door alternatief splitsen ter hoogte van het mRNA als door het
aanbrengen van fosfaat-groepen op het proteïne (post-translationele
fosforylatie). Tau-proteïne dat geïsoleerd werd uit NFT uit hersenen van
AD patiënten bleek abnormaal sterk gefosforyleerd te zijn op specifieke
plaatsen, met name op serine en threonine aminozuren die naast een
proline gelegen zijn. Dit abnormale fosforylatie-patroon kan wijzen op
verhoogde activiteit van proteïne kinasen, enzymen die verantwoordelijk
zijn voor fosforylatie reacties, maar zou ook aan verminderde fosfatase
reacties toegeschreven kunnen worden. Proteïne fosforylatie is zowat het
meest verspreide cellulaire regulatie-mechanisme dat tussenkomt in zowat
alle cellulaire processen (van cel-deling tot celdood) en het aantal
kinasen en fosfatasen, met inbegrip van regulatorische sub-eenheden, is
dan ook legio en zijn zeker niet allemaal gekend, laat staan
gekarakteriseerd. Hierdoor wordt de zoektocht naar die specifieke
kinasen of fosfatasen die verantwoordelijk zijn voor de
over-fosforylatie van tau-proteïne in AD, niet éénduidig. Bovendien zijn
er voor dit systeem geen directe genetische aanknopingspunten.
Functioneel bindt het tau-proteïne aan microtubuli, structuren die deel
uitmaken van het cytoskelet van alle cellen, maar die in neuronen
verantwoordelijk zijn voor de functionele stabiliteit van de axonen, de
lange uitlopers waarmee alle functionele contacten -schakelingen- in de
hersenen tot stand worden gebracht en worden onderhouden. Deze circuits
zijnde wezenlijke basis van onze mogelijkheid tot leren en onthouden,
tot reflexen en gewilde bewegingen en zijn dus feitelijk uniek in de
hersenen van elke mens. Over-fosforylatie van het tau-proteïne belet de
normale interactie met de microtubuli hetgeen een aanwijzing is waar het
mechanisme fout loopt, nadat over-fosforylatie is opgetreden.
5. Huidige stand van zaken
Zoals uiteengezet in de inleiding is het probleem van de ziekte van
Alzheimer er één van de toekomst: de toenemende vergrijzing zal zonder
de minste twijfel het aantal gevallen sterk doen toenemen, terwijl er op
dit ogenblik geen éénduidige, vroegtijdige diagnose mogelijk is (pre-symptomatisch).
Bovendien is er geen enkele vorm van therapie of behandeling met enig
positief vooruitzicht van efficiëntie. Dit weinig rooskleurig beeld
heeft dan ook een enorme beweging van wetenschappelijk onderzoek op gang
gebracht waarin zowat alle aspecten die hoger zijn aangehaald worden
onderzocht in allerlei soorten van experimentele systemen, zowel in
vitro als in vivo. We willen hier enkele van de belangrijkste
krachtlijnen naar voor brengen, waar het onderzoek zich de komende jaren
zal moeten op toespitsen.
Sommige van deze krachtlijnen mogen op het eerste zicht ver van het
probleem in de patiënt verwijderd lijken, maar fundamenteel biomedisch
onderzoek is zelden een recht-toe-recht-aan zaak. Een tweede punt is dat
de functionele complexiteit van de hersenen die op cellulair niveau
reeds lang duidelijk was, pas nu op moleculair niveau begint te worden
onderbouwd. Hieruit blijkt dat de moleculaire complexiteit van de
hersenen van een totaal andere orde is dan enig ander orgaan of functie
in ons lichaam. Het ziet ernaar uit dat het merendeel van onze genen (en
dat zijn er mogelijk honderdduizend) in onze hersenen nodig en actief
zijn. Deze moleculaire en functionele complexiteit maakt dat enige
relevantie van in vitro vindingen, steeds zal moeten gekoppeld worden
aan in vivo testsystemen. Dit wordt eveneens gedicteerd door het feit
dat implicatie van gedragswijzigingen en leer- en geheugen-problemen in
AD, niet op een in vitro-schaal kunnen onderzocht worden. Uiteraard is
dit onderzoek in AD-patiënten zelf onmogelijk zowel om ethische als om
practische redenen. Dit zijn allemaal argumenten die pleiten voor een
sterke, gerichte en multi-diciplinaire aanpak, waarin naast
proteïn-chemisch en cel-biologisch onderzoek plaats moet zijn voor een
dier-experimenteel model.
Een eerste probleem is de vraag naar de mechanismen waarop de
proteolytische splitsing van APP in neuronen in de hersenen precies
gebeurt. Dit vereist kennis van de intracellulaire routes van secretie,
van de receptoren en factoren die deze sortering toelaten of verstoren
in AD, kennis van de identiteit en eigenschappen van de drie secretase
enzymen die al dan niet het Aß-peptide vrijzetten uit APP, kennis van de
normale fysiologische rol van APP, kennis ook van de mechanismen
waardoor het Aß-peptide neurotoxisch wordt. Hiervoor is fundamenteel
cel-biologisch onderzoek nodig in deze cellen, enerzijds in cel-culturen
in vitro waar de cellen en de moleculen experimenteel kunnen
gemanipuleerd worden en anderzijds in vivo, omdat een neuron op zich
niet bestaat en steeds deel uitmaakt van een specifiek en actief circuit
dat in verschillende delen van de hersenen aangrijpt en projecteert.
Een tweede probleem is de vraag naar de rol van het lipiden metabolisme
dat door ApoE wordt gedragen. Het feit dat de ApoE4-isovorm van dit
lipoproteïne zulke dramatische gevolgen kan hebben, heeft het onderzoek
in deze richting een enorme impuls gegeven aan heel wat
onderzoeksgroepen die actief waren in het perifeer lipiden metabolisme.
Het derde probleem waarin zwaar geïnvesteerd wordt, is fundamenteel
onderzoek naar de analyse, zeg maar moleculaire dissectie van het
tau-proteïne en de speurtocht naar de kinasen en fosfatasen die
verantwoordelijk zijn voor de over-fosforylatie.
Tenslotte, een natuurlijk in vivo test-systeem is niet voorhanden.
Experimenten op onze naaste verwanten in het dierenrijk zijn ethisch
niet te verantwoorden en bovendien praktisch ook niet haalbaar. Andere
natuurlijke dier-modellen bestaan niet waardoor er moet worden geopteerd
voor een experimenteel dier-model dat genetisch gemanipuleerd kan
worden. Hiervoor zijn in eerste instantie transgene muizen en ratten
bijzonder geschikt. De eerste omwille van de uitgebreide genetische en
biotechnologische kennis die reeds beschikbaar is in deze richting en de
tweede omdat ratten de farmacologisch best bestudeerde diersoort is
waarin nieuwe farmaca kunnen getest worden.
Het is in deze richting dat het fundamenteel onderzoek in ons
laboratorium zich beweegt: door een multi-disciplinaire aanpak worden
zowel in vitro als in vivo de nodige test-systemen gegenereerd die
moeten toelaten de afgelijnde problemen en vragen aan te pakken. De
uiteindelijke bedoeling is test-systemen te ontwikkelen, zowel een
dier-experimenteel model als cellijnen, om diagnostische parameters in
relatie tot het verloop van het ziekteproces te volgen en om farmaca te
kunnen testen en te ontwikkelen. Het is duidelijk dat een verbeterde
diagnose en het vroegtijdig ingrijpen in het ziekte-proces, om de
neurodegenratie en de dementie te voorkomen, uit te stelen of zelfs maar
af te remmen, een uitzonderlijk belangrijke bijdrage zou betekenen voor
de steeds talrijk wordende AD-patiënten en hun naaste omgeving.
(bron : Prof. Fred Van Leuven) |
|
|
|
|
|
