Neurodegenerativer Prozess bei Morbus Parkinson: Rolle

Prinzip & Perspektive | Review article
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Neurodegenerativer Prozess bei Morbus Parkinson:
Rolle der Myeloperoxidase
Autoren
P. Teismann1
Institut
1 School of Medical Sciences, University of Aberdeen, Aberdeen, United Kingdom
Das MPTP-Modell bei Morbus Parkinson
▼
Der Morbus Parkinson ist eine neurodegenerative
Erkrankung, die mit dem kontinuierlichen Verlust
von dopaminergen Neuronen in der Substantia
nigra pars compacta einhergeht. Bis heute stehen
nur symptomatische Therapien zur Verfügung.
Das Verständnis der zugrundeliegenden molekularen Aspekte ist bis heute unzureichend, um eine
wirkungsvolle neuroprotektive Therapie zu entwickeln.
Viele Hypothesen stützen sich dabei auf das 1Methyl-4-Phenyl-1,2,3,6-Tetrahydropyridin-Modell (MPTP-Modell). Eine Injektion mit MPTP
führt zu einem Parkinson-Syndrom, welches sich
kaum von der Parkinson-Krankheit unterscheidet. Fast alle klinischen Merkmale des Morbus
Parkinson können mit MPTP repliziert werden.
Neuropathologisch führt MPTP – wie die Parkinson-Erkrankung selbst – zu einer Störung der
oxidativen Phosphorylierung in den Mitochondrien und dadurch zu oxidativem Stress, zur Degeneration dopaminerger Neurone in der Substantia nigra pars compacta und zu einem dopaminergen Defizit im Striatum. Allerdings fehlen
nach MPTP-Behandlung von Mäusen zwei wichtige neuropathologische Kennzeichen der Parkinson-Krankheit:
1. Neben der Substantia nigra (SN) sind keine anderen pigmentierten Kerngebiete betroffen
(z. B. der Locus coeruleus).
2. Eosinophile intraneuronale Einschlüsse –
Lewy-Körper – sind nicht verlässlich nachweisbar, obwohl intraneuronale Einschlusskörperchen nach MPTP-Gabe in Primaten beschrieben wurden.
Ein weiterer Aspekt bei Morbus Parkinson und
dem MPTP-Modell sind entzündliche Prozesse.
Auch wenn überzeugende neuropathologische
oder genetische Daten fehlen, die auf eine kausale und die Krankheit initiierende Ursache hinn
deuten, ist eine pertubierende Wirkung entzündlicher Prozesse wahrscheinlich. Die chronische Behandlung mit antiphlogistischen Medikamenten senkt das Risiko für eine ParkinsonKrankheit. Eine mikrogliale Reaktion wird in experimentellen Modellen der Parkinson-Krankheit und bei Parkinson-Patienten gefunden, und
somit ein Zusammenhang mit der Pathogenese
der Erkrankung angenommen.
Die Zahl der infiltrierenden Astrozyten ist beim
Morbus-Parkinson leicht erhöht, aber nur selten
ist eine massive Einwanderung festzustellen [2].
Astrozyten reagieren besonders auf entzündungsfördernde Zytokine wie Tumor-NekroseFaktor-alpha (TNF-α) oder Interleukin-1 beta (IL1β).
Im MPTP-Modell verläuft die Astozyteneinwanderung parallel zum Untergang der dopaminergen Neurone [6]. Astrozyten werden mit einer
neurodegenerativen und einer neuroprotektiven
Wirkung in Zusammenhang gebracht, da sie für
die Freisetzung von neurotrophen Faktoren verantwortlich sind. Zum anderen können sie aber
auch entzündungsfördernde Zyotokine wie TNF-α
und IL-6 freisetzen und zur Bildung von reaktiven
Sauerstoff- und Stickstoffradikalen führen.
kurzgefasst
MPTP ist ein Neurotoxin, das die ParkinsonErkrankung repliziert und mit neuroentzündlichen Prozessen einhergeht, die dem Morbus
Parkinson ähnlich sind.
Neurologie
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Schlüsselwörter
Myeloperoxidase
Morbus Parkinson
MPTP
neutrophile Granulozyten
Astrozyten
Gliose
Neurodegeneration
q
q
q
q
q
q
q
Keywords
myeloperoxidase
Parkinson’s disease
MPTP
neutrophils
Aastrocytes
gliosis
neurodegeneration
q
q
q
q
q
q
q
eingereicht 4.12.2012
akzeptiert 20.06.2013
Bibliografie
DOI 10.1055/s-0033-1359907
Online Publikation: 25.11.2013
Dtsch Med Wochenschr 0
2014;
1390
0:99–102 · © Georg Thieme
Verlag KG · Stuttgart · New York
· ISSN 0012-04721439-4 13
Korrespondenz
Prof. Dr. Peter Teismann
School of Medical Sciences,
College of Life Sciences &
Medicine, University of
Aberdeen, Foresterhill
Aberdeen
AB25 2ZD, Scotland, U.K.
Tel. +44 (0)1224 437325
Fax +44 (0)1224 437465
eMail [email protected]
Korrekturexemplar: Veröffentlichung (auch online), Vervielfältigung oder Weitergabe nicht erlaubt! n
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Myeloperoxidase in the neurodegenerative process of Parkinson’s disease
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+ Pathogene
+ DNA
+ Proteine
+ εNH2
MPO
+
H2O2
+ CI–
+ NO2
HOCI
–
+ ROOH
NO2̇
Primäre MPOProdukte
Immunantwort
5-Chlorouracil
Abb. 1 Primäre und sekundäre Reaktionsprodukte
der Myeloperoxidase (MPO), die für die Pathogenese des Morbus Parkinson in Betracht kommen
[7].
3-Chlorotyrosin
Haloamine
pathophysiologisch
Radikalprodukte
Bildung von
Lipidradikalen,
Förderung von
Lipidperoxidation
Sekundäre MPO-Produkte
Entstehung des Morbus Parkinson: die Rolle von
Entzündungsreaktionen
▼
Entzündliche Reaktionen, die mit oxidativem Stress einhergehen, sind an der Pathogenese des Morbus Parkinson beteiligt.
An der Generierung von oxdiativem Stress sind die NADPH-Oxidase und die induzierbare Stickstoffsynthase beteiligt: sie setzen O2•- und NO frei. Werden diese Enzyme genetisch ausgeschaltet, führte dies zu einem neuroprotektiven Effekt im
MPTP-Modell [6, 10]. Zudem kann die Myeloperoxidase zytotoxische Sauerstoff- und Stickstoffradikale bilden [9] und ist die
Hauptquelle für 3-Nitrotyrosin bei akuten entzündlichen Reaktionen [3]. Im MPTP-Mausmodell sowie bei Parkinson-Patienten ist die vermehrte Bildung der induzierbaren Stickoxid-Synthase nachweisbar [6]. Deren Aktivierung führt zur Bildung von
NO2-, welches wiederum von der Myeloperoxidase zur Bildung
von Stickstoffradikalen genutzt werden kann [9].
Es ist aber eher wahrscheinlich, dass sekundäre Oxidanzien, wie
Peroxynitrit (ONOO-), für die beobachteten Effekte verantwortlich
sind, da O2•- und NO relativ unreaktiv sind. Ein Hauptprodukt von
ONOO-, 3-Nitrotyrosin, ist nach MPTP-Gabe in den betroffenen Gehirnregionen erhöht [8]. Nach MPTP-Gabe sind außerdem die O,O′Dityrosinspiegel erhöht, das aber nicht ein Hauptprodukt von Peroxynitrit, sondern der Myeloperoxidase ist [8].
Die Rolle der Myeloperoxidase
▼
Die Myeloperoxidase wird vornehmlich von neutrophilen Granulozyten exprimiert. Diese sind der Hauptbestandteil der Leukozyten und gehören zum unspezifischen Immunsystem. Oxidationsprozesse sind zudem ein Schlüsselelement des unspezifischen Immunsystems. Myeloperoxidase wird bei der antimikrobiellen Aktivität von neutrophilen Granulozyten exprimiert [7]
und bei der Bekämpfung von Mikroorganismen in phagozytische Vakuolen sezerniert. Somit scheint sie eine wichtige Rolle
bei der Zerstörung von Bakterien zu spielen. Phagosomen enthalten zum Großteil Myeloperoxidase, Wasserstoffperoxid (H2O2)
und Halogenide (X-), hierbei besonders Chloridionen (Cl-). Die
Myeloperoxidase ist verantwortlich für die Oxidation von Chloridionen zu Hypochlorsäure (HOCl), welche antimikrobielle Eigenschaften hat und Lipide, DNA sowie Lipoproteine angreifen
kann (q Abb. 1).
Cl- + H2O2 + H + → HOCl + H2O
physiologisch
Das hierzu benötigte H2O2 kann dabei von verschiedenen Quellen generiert werden, z. B. von der NADPH-Oxidase. Da die
NADPH-Oxidase Sauerstoffradikale (O2•-) bilden kann, spielt sie
auch eine kritische Rolle bei der Bekämpfung invasiver Mikroorganismen.
NADPH + O2 → O2•- + NADP + + H + O2•- kann mit vorhandenem Sauerstoff und Wasserstoffprotonen zu H2O2 reagieren, und somit der Myeloperoxiase als Substrat zur Verfügung stehen. Interessanterweise ist auch die
NADPH-Oxidase in den pathologischen Prozess des Morbus Parkinson involviert. Wir konnten zeigen, dass die gp91phox-Untereinheit der NADPH-Oxidase in der Substantia Nigra von Parkinson-Patienten und nach MPTP-Gabe im ventralen Mittelhirn
von Mäusen erhöht ist [10]. Zudem konnten wir zeigen, dass die
genetische Ausschaltung der NADPH-Oxidase zu einem neuroprotektiven Effekt im MPTP-Modell führt [10].
Die durch die Reaktion von MPO mit H2O2 entstandene HOCl
kann unter pathologischen Bedingungen zu Gewebeschädigungen führen. HOCl greift Lipide, DNA und Lipoproteine an. Die
Bildung von 5-Chlorouracil indiziert einen MPO-katalysierten
Reaktionsprozess. Erhöhte 5-Chlorouracil-Werte zeigen eine
DNA-Schädigung bei entzündlichen Prozessen an, wie sie z. B. in
menschlichem atherosklerotischen Gewebe nachweisbar sind.
Diese Befunde zeigen, dass MPO bei atherosklerotischen HerzKreislauf-Erkrankungen eine Rolle spielen kann. Zum einen
kann somit MPO als prognostischer Biomarker dienen und zum
anderen sind MPO-Inhibitoren eine mögliche Behandlungsmethode.
Ein weiterer Hinweis und Biomarker für die MPO-Aktivität ist
die Bildung von 3-Chlorotyrosin. 3-Chlorotyrosin entsteht entweder durch direkten Angriff von HOCl auf Tyrosin oder durch
die indirekte Bildung von Chlorgas aus HOCl. 3-Chlorotyrosin
konnte bei atherosklerotischen Schädigungen, bei Atemwegserkrankungen und bei neutrophil induzierter Lebererkrankung
nachgewiesen werden und weist damit auf die Myeloperoxidase
als einen Mechanismus bei diesen Erkrankungen hin.
Auch im MPTP-Modell wurde dies durch einen erhöhten 3-Chlorotyrosin-Gehalt nachgewiesen. Mit Hilfe eines spezifischen monoklonalen Antikörpers gegen HOCl-modifizierte Proteine (HOP1 Antikörper, Klon 2D10G9, zur Verfügung gestellt von E. Malle,
Medizinische Universität Graz, Österreich) konnten wir HOCl-
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modifizierte Proteine im ventralen Mittelhirn (der Region, die die
Substantia nigra umfasst) im MPTP-Modell nachweisen [1]. Zudem war der Gehalt an 3-Chlorotyrosin im ventralen Mittelhirn
von MPTP-behandelten Mäusen signifikant erhöht [1].
Zytokin-ähnliche Eigenschaften der Myeloperoxidase
Weiterhin besitzt die MPO Zytokin-ähnliche Eigenschaften.
Freigesetzte MPO ist in der Lage, CD11b/CD18-Integrine an die
Zelloberfläche zu binden [5]. Dadurch werden polymorphonukleare neutrophile Signalwegen mit pro-entzündlichen Reaktionen aktiviert, welche unabhängig von der Aktivierung der MPO
sind. CD11b/CD18-Integrine sind mit dem pathologischen Prozess des Morbus Parkinson in Verbindung gebracht worden und
somit könnte dies ein weiterer Mechanismus sein, durch den
dopaminerge Neurone durch MPO geschädigt werden.
MPO generiert HOCl und oxidativen Stress, die zur Zellschädigung führen und letztendlich zum Zelltod beitragen. Hinweise auf eine erhöhte MPO-Aktivität geben Proteinmarker wie
5-Chlorouracil und 3-Chlorotyrosin.
Expression der Myeloperoxidase in Astrozyten
Nach einer MPTP-Injektion werden MPO-RNA und MPO-Protein
vermehrt in der Substantia nigra exprimiert [1]. Interessanterweise scheinen hierbei Astrozyten für die vermehrte Expression
von MPO verantwortlich zu sein: MPO kolokalisierte mit dem
klassischen Astrozyten-Marker „Glial Fibrillary Acidic Protein“
(GFAP), aber nicht mit dem klassischen Mikroglia-Marker „Macrophage-Antigen-1“ (MAC-1) [1] (q Abb. 2). Ähnliche Befunde
erhielten wir durch die Untersuchung von Parkinson-Patienten.
Hier konnten wir in Post-mortem-Gewebe MPO-positive Astrozyten in der Nähe von Neuromelanin-haltigen Nervenzellen
nachweisen [1] (q Abb. 3). Im Gegensatz dazu war die MPO-Expression im Striatum von MPTP-injizierten Mäusen und Patienten mit M. Parkinson unverändert [1].
Auch bei anderen neurodegenerativen Erkrankungen ließ sich
eine erhöhte MPO-Expression feststellen. MPO war im Motorcortex von Patienten mit amyotropher Lateralsklerose und im
Nucleus caudatus von Patienten mit Morbus Huntington vermehrt exprimiert. Diese Ergebnisse zeigen jedoch auch, dass der
Anstieg an MPO in der Substantia nigra nicht spezifisch für den
Morbus Parkinson ist. Er ist eher ein genereller Befund bei neurodegenerativen Erkrankungen in Regionen mit Zellverlust mit
gleichzeitiger Gliose.
Ausschaltung der Myeloperoxidase
Die genetische Ausschaltung des MPO-Gens führte im MPTPModell zu einem neuroprotektiven Effekt. Nach der akuten Gabe
von MPTP überlebten im Vergleich zu Kontrolltieren signifikant
mehr dopaminerge Nervenzellen in Mäusen, denen das MPOGen fehlte [1]. Zudem war die Dichte an dopaminergen Nervenfasern nach MPTP-Gabe in Mäusen ohne MPO-Gen signifikant
erhöht [1], und somit sind MPO-Inhibitoren eine Therapiemöglichkeit beim Morbus Parkinson. Interessanterweise befindet
Abb. 2 Astrozyten sind für die vermehrte Bildung der Myeloperoxidase
(MPO) verantwortlich. A-D: Vergleich der MPO-Aktivität bei Mäusen 24
und 48 h nach Kochsalz- oder MPTP-Gabe . A,C: Kochsalz-Gabe: Ventrales
Mittelhirn der Kontrollmäuse: keine MPO nachweisbar (gestricheltes Oval:
Substantia nigra pars compacta). B,D: MPTP-Gabe: Nachweis von MPOpositive Nervenfasern und Zellkörper (Pfeile). E-L: Konfokale Mikroskopie.
E-H: MPO-positive Elemente (E, rot) im ventralen Mittelhirn sind positiv
für Glial-Fibrillary Acidic Protein (GFAP) (F, grün): siehe Überlagerung (G)
und errechnete Maskierung kolokalisierter Pixel (H). J-L: MPO-positive
Strukturen (I) sind nicht MAC-1 positiv (J): siehe Überlagerung (K) und errechnete Maskierung kolokalisierter Pixel (L). Maßstab: (in D) A, B,
250 μm; C, D, 25 μm; (in L) E-L, 10 μm [8].
sich ein MPO-Inhibitor von Astra Zeneca, AZD3241, zur Behandlung des Morbus Parkinson seit dem 18.7.2013 in Phase IIa der
klinischen Prüfung [11].
In einer weiteren Studie führte die Behandlung mit Ethylpyruvat
(50 mg/kg, i. p.) zu einem neuroprotektiven Effekt im MPTP-Modell [4]. Ethylpyruvat reduzierte die Bildung von MPO in der
Substantia Nigra im MPTP-Modell [4]. Auch hier konnte durch
immunhistochemische Doppelfärbung nachgewiesen werden,
dass Astrozyten für die Bildung von MPO verantwortlich sind
und die Gabe von Ethylpyruvat führte zu einer signifikanten Reduktion MPO-positiver Astrozyten [4].
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Autorenerklärung: Der Autor erklärt, dass er keine finanzielle
Verbindung mit einer Firma hat, deren Produkt in diesem Beitrag eine Rolle spielt (oder mit einer Firma, die ein Konkurrenzprodukt vertreibt).
Literatur
Abb. 3 A, B) Im ventralen Mittelhirn von Patienten mit M. Parkinson lässt
sich ein erhöhter MPO- und GFAP-Gehalt nachweisen. (C+: positive Kontrolle, gereinigte MPO). Durchschnittswerte ± SEM für 7 Proben pro Gruppe. *p < 0,05 verglichen mit Kontrollen (Newman-Keuls post hoc test). C)
Gesunde Personen: Kein Nachweis von MPO in GFAP-positiven Zellen (ungefüllter Pfeil) bzw. in oder um neuromelaninhaltige positive dopaminerge Nervenzellen (Pfeilkopf). D) Patienten mit M. Parkinson: MPO (blau,
kleine schwarze Pfeile) lässt sich in GFAP-positiven Zellen (ungefüllter
Pfeil), aber nicht in den seltenen neuromelaninhaltigen positiven dopaminergen Nervenzellen (Pfeilkopf) nachweisen. Maßstab: 20 μm. [8]
1 Choi DK, Pennathur S, Perier C et al. Ablation of the inflammatory enzyme myeloperoxidase mitigates features of parkinson's disease in
mice. J Neurosci 2005; 25: 6594–6600
2 Forno LS, DeLanney LE, Irwin I et al. Astrocytes and parkinson's disease. Prog Brain Res 1992; 94: 429–436
3 Gaut JP, Yeh GC, Tran HD et al. Neutrophils employ the myeloperoxidase system to generate antimicrobial brominating and chlorinating
oxidants during sepsis. Proc Natl Acad Sci U S A 2001; 98: 11961–
11966
4 Huh SH, Chung YC, Piao Y et al. Ethyl pyruvate rescues nigrostriatal
dopaminergic neurons by regulating glial activation in a mouse model of parkinson's disease. J Immunol 2011; 187: 960–969
5 Lau D, Mollnau H, Eiserich JP et al. Myeloperoxidase mediates neutrophil activation by association with CD11b/CD18 integrins. Proc Natl
Acad Sci U S A 2005; 102: 431–436
6 Liberatore G, Jackson-Lewis V, Vukosavic S et al. Inducible nitric oxide
synthase stimulates dopaminergic neurodegeneration in the MPTP
model of parkinson's disease. Nat Med 1999; 5: 1403–1409
7 Malle E, Furtmuller PG, Sattler W et al. Myeloperoxidase: A target for
new drug development?. Br J Pharmacol 2007; 152: 838–854
8 Pennathur S, Jackson-Lewis V, Przedborski S et al. Mass spectrometric
quantification of 3-nitrotyrosine, ortho-tyrosine and O,O'-dityrosine
in brain tissue of MPTP-treated mice, a model of oxidative stress in
parkinson's disease. J Biol Chem 1999; 274: 34621–34628
9 van der Vliet A, Eiserich JP, Halliwell B et al. Formation of reactive nitrogen species during peroxidase-catalyzed oxidation of nitrite. A potential additional mechanism of nitric oxide- dependent toxicity. J
Biol Chem 1997; 272: 7617–7625
10 Wu DC, Teismann P, Tieu K et al. NADPH oxidase mediates oxidative
stress in the 1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridine model of
parkinson's disease. Proc Natl Acad Sci U S A 2003; 100: 6145–6150
11 Astra Zeneca. Investigating safety, tolerability and pk when giving
single and fractionated doses of AZD3241 to healthy volunteers. http://www.astrazenecaclinicaltrials.com/diseases-and-conditions/diseaseandconditions/?itemId=8595333 Letzter Zugriff: 12.11.2013
MPO wird nach MPTP-Gabe vermehrt von Astroztyten exprimiert und die genetische Ausschaltung von MPO führt zu einem
neuroprotektiven Effekt im MPTP-Modell, der sich auch auf dopaminerge Nervenfasern des Striatums erstreckt.
Konsequenz für Klinik und Praxis
3Die Myeloperoxidase generiert oxidativen Stress. Dieser
schädigt entweder dopaminerge Neuronen oder führt zu
deren Zelltod.
3Inhibitoren der Myeloperoxidase könnten in der protektiven Behandlung des Morbus Parkinson eingesetzt werden. Jedoch ist zu
beachten, dass die Myeloperoxidase auch positive Eigenschaften
bei der Immunantwort auf mikrobielle Infektionen hat.
3MPO-Inhibitoren befinden sich jedoch erst in der Entwicklung oder in der frühen klinischen Prüfung.
Dtsch Med Wochenschr 2014; 139: 99–102 · P. Teismann, Erforschung der Rolle …
Heruntergeladen von: Thieme Verlagsgruppe. Urheberrechtlich geschützt.
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