GDNF and Neurturin isoforms in an experimental model of Parkinson's disease

Show full item record

Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-3634-3
Title: GDNF and Neurturin isoforms in an experimental model of Parkinson's disease
Author: Penttinen, Anna-Maija
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Pharmacy, Division of Pharmacology and Pharmacotherapy
University of Helsinki, Institute of Biotechnology
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: Parkinson’s disease (PD) is a neurodegenerative disease characterized by intracellular proteinaceous inclusions called Lewy bodies and progressive loss of dopaminergic neurons in the substantia nigra (SN). The first symptoms of PD are non-motor, such as hyposmia and gastrointestinal disturbances, followed by motor symptoms, such as tremor and rigidity. Currently available therapies, medication, surgical procedures and supportive therapies, are symptomatic and do not affect the underlying cause of the disease — the neuronal degeneration. Thus, a new therapy which would restore the dopaminergic phenotype of dying neurons and thus slow down or even halt the progress of the disease is needed. Neurotrophic factors are secretory proteins regulating survival and functioning of the neurons as well as the formation of new neuronal contacts. Neurotrophic factors have shown great potential in animal models of PD, but in clinical trials, the results have been contradictory. One possible explanation for this is poor diffusion and bioavailability of the therapeutic proteins in the target tissue. The aim of this study was to explore the neuroprotective effects of the isoforms of two of the most potent dopamine neurotrophic factors, GDNF (glial cell line-derived neurotrophic factor) and its homolog neurturin (NRTN) in an experimental model of PD, and to characterize a new stable low-dose 6-hydroxydopamine (6-OHDA) rat PD model. In the PD model the degeneration of the nigrostriatal pathway was induced by administrating toxic dopamine analog 6-OHDA into the striatum, where the nerve terminals of the dopaminergic neurons are located. We compared several different administration paradigms to find the optimal parameters to induce a stable lesion model with high success rate. The cell loss induced with low doses (6-9 µg) of 6-OHDA was at similar level as the cell loss induced with higher (20 µg) doses of 6-OHDA. The advantage of using low 6-OHDA doses is the avoidance of non-specific damage, which occurs with higher 6-OHDA doses. Moreover, the low-dose induced lesions have high success rate, reducing the number of animals needed in the experiments and increasing the reliability of the obtained results. The spreading of NRTN in the brain tissue was improved by modifying the extracellular matrix binding sequence of the protein. New NRTN variants were biologically active and were able to initiate signaling via tyrosine kinase Ret (rearranged during transfection). In the neuroprotection assay in rat 6-OHDA model of PD NRTN variant N4 protected the dopaminergic neurons in the SN and fibers in the striatum as well as improved the motor behavior of the animals. In neurorestoration assay, N4 showed a trend in improving the behavioral deficits of the animals. GDNF, on the other hand, was administered to the brain with viral vectors, enabling long-term protein expression in the target tissue. GDNF has been widely studied, but the research has focused on the full-length constitutively secreted α-isoform, whereas the biology of the shorter and activity-dependently secreted β-GDNF has not been studied in vivo before. In the non-lesioned striatum, both isoforms increased striatal dopamine transporter-immunoreactivity. Both isoforms also protected the dopaminergic neurons in SN from 6-OHDA-induced degeneration. The results show that these new and less studied neurotrophic factor isoforms are able to slow down the degeneration of the midbrain dopaminergic neurons. In other words, both NRTN variant N4 and β-GDNF are potential disease-modifying factors for PD.Parkinsonin tauti on etenevä hermorappeumasairaus, jossa substantia nigran dopamiinia tuottavat hermosolut tuhoutuvat. Parkinsonin taudin ensimmäiset oireet ovat nonmotorisia, kuten hajuaistin tai suoliston toimintahäiriöitä, joita seuraavat motoriset oireet, kuten lepovapina ja raajojen jäykkyys. Tällä hetkellä tarjolla olevat hoitomuodot, lääkehoito, kirurginen toimenpide ja fysioterapia, ainoastaan lievittävät Parkinsonin taudin oireita, mutta ne eivät pysäytä tai hidasta oireiden syynä olevaa hermosolujen tuhoutumista. Uusi terapia, joka palauttaisi rappeutuvien hermosolujen dopaminergisen fenotyypin ja siten hidastaisi tai jopa pysäyttäisi taudin etenemisen, mullistaisi Parkinsonin taudin hoidon. Hermokasvutekijät ovat elimistön omia proteiineja, jotka säätelevät hermosolujen eloonjäämistä, uusien kontaktien muodostamista ja hermosolujen toimintaa. Hermokasvutekijät ovat osoittautuneet potentiaalisiksi uusiksi lääkemolekyyleiksi Parkinsonin taudin eläinmalleissa, mutta positiiviset tulokset eivät ole toistuneet kliinisissä kokeissa. Yhtenä syynä tähän on pidetty proteiinien heikkoa leviämistä kohdekudoksessa. Tämän tutkimuksen tarkoituksena oli tutkia kahden hermokasvutekijän, gliasolulinjaperäisen hermokasvutekijän GDNF:n (engl. glial cell line-derived neurotrophic factor) ja sen sukulaisproteiinin neurturiinin (NRTN) eri muotojen kykyä suojata keskiaivojen dopamiinia tuottavia hermosoluja Parkinsonin taudin kokeellisessa eläinmallissa sekä karakterisoida matalalla 6-hydroksidopamiini(6-OHDA)annoksella indusoitu Parkinsonin taudin eläinmalli. Eläinmallissa nigrostriataalisen hermoradan osittainen tuhoutuminen aiheutettiin annostelemalla hermovälittäjäaine dopamiinin myrkyllistä analogia, 6-OHDA:a, striatumiin, jossa dopamiinia tuottavien hermosolujen hermopäätteet sijaitsevat. Vertailemalla erilaisia injektioasetuksia löysimme tavan, jolla annosteltuna hermosolujen tuho oli pysyvä ja toistettava. Matalilla 6-OHDA annoksilla (6-9 µg) aiheutettu solutuho osoittautui yhtä suureksi kuin suurilla annoksilla (20 µg) aiheutettu solutuho. Pienten 6-OHDA-annosten aiheuttaman solutuhon on kuitenkin osoitettu olevan spesifisempi kuin suurten 6-OHDA-annosten aiheuttama solutuho. Toistettava eläinmalli vähentää kokeissa käytettävien eläinten lukumäärää ja lisää tulosten luotettavuutta. NRTN:n leviämistä kudoksessa parannettiin muokkaamalla jaksoa, jolla neurturiini sitoutuu soluväliaineeseen. Uudet neurturiinivariantit ovat biologisesti aktiivisia ja voivat aloittaa signaalivälityksen. 6-OHDA-eläinmallissa aivoihin annosteltu NRTN-variantti N4 suojasi substantia nigran dopamiinia tuottavia hermosoluja ja niiden hermopäätteitä striatumissa sekä kohensi eläinten motorista toimintakykyä. Myös myöhemmin annosteltuna N4 osoitti potentiaalia palauttaa eläinten motorinen toimintakyky. GDNF sen sijaan annosteltiin aivoihin virusvektorin avulla, mahdollistaen terapeuttisen proteiinin pitkäkestoisen tuotannon kohdekudoksessa. GDNF on laajalti tutkittu proteiini, mutta tutkimus on keskittynyt vain täyspitkään ja jatkuvasti soluista erittyvään α-muotoon ja lyhyempi, aktiivisuusriippuvaisesti soluista erittyvä β-muoto on vaikutuksiltaan tuntemattomampi. Ehjään striatumiin annosteltuna kumpikin muoto lisäsi dopamiinikuljettajaimmunoreaktiivisuutta striatumissa. Lisäksi kumpikin muoto suojasi keskiaivojen dopamiinia tuottavia hermosoluja 6-OHDA:n aiheuttamalta tuhoutumiselta. Tulokset osoittavat uusien ja vähemmän tutkittujen hermokasvutekijämuotojen hidastavan keskiaivojen dopamiinia tuottavien hermosolujen tuhoutumista. Toisin sanoen, sekä neurturiinivarianti N4 että β-GDNF ovat potentiaalisia terapeuttisia proteiineja Parkinsonin taudin hoitoon.
URI: URN:ISBN:978-951-51-3634-3
http://hdl.handle.net/10138/217511
Date: 2017-09-23
Subject:
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
GDNFandN.pdf 1.098Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record