Modelling alpha-synuclein-based Parkinson's disease and studies with CDNF

Show full item record

Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-5218-3
Title: Modelling alpha-synuclein-based Parkinson's disease and studies with CDNF
Author: Albert, Katrina
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Pharmacy, Division of Pharmacology and Pharmacotherapy
Doctoral Programme in Drug Research
Institute of Biotechnology, HiLIFE
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2019-05-17
Belongs to series: URN:ISSN:2342-317X
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-5218-3
http://hdl.handle.net/10138/301312
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: The neurodegenerative disorder Parkinson’s disease is diagnosed when motor symptoms appear, which is caused by death of the substantia nigra dopamine neurons. Most disease cases are idiopathic, and there are currently no disease-modifying therapies. Since the mechanism underlying Parkinson’s disease is still unknown, bringing treatments to the clinic has been difficult. Alpha-synuclein (α-syn) is a protein found abundantly in the central nervous system of vertebrates. Its importance for Parkinson’s disease was confirmed when it was discovered that mutations in the gene led to an autosomal dominant disease form and that it is the majority protein in what is considered a pathological marker of the disease, Lewy bodies. Cerebral dopamine neurotrophic factor (CDNF) is a conserved protein with neurotrophic-like properties. It has been shown to protect dopamine neurons in toxin models of Parkinson’s disease and is currently in Phase I/II clinical trials. It has not been tested in α-syn animal models and therefore the aim was to model α-syn-based Parkinson’s disease and to test whether CDNF can intervene with α-syn aggregation and has a therapeutic effect. We generated two models that used α-syn to model sporadic Parkinson’s disease and test CDNF on: adeno-associated virus (AAV) and preformed fibrils. We used an AAV to overexpress human wild-type α-syn and were able to model nigrostriatal dopamine loss accompanied by behavioural deficits. However, the variation in the success of the model was too high to consider it feasible to test CDNF on. This, combined with concerns about controls, led us to conclude that it may not be an ideal model of sporadic Parkinson’s disease. Using a preformed α-syn fibrils model to seed endogenous α-syn, we observed modest behavioural deficits that were ameliorated by CDNF, however the model did not result in dopamine neuron loss with the measures used. Although, we were able to model the spreading of Lewy body- and neurite-like inclusions that were positive for phosphorylated α-syn. From parallel in vitro studies we can conclude that CDNF is affecting the preformed α-syn fibrils model, but further studies are needed to clarify this. Since CDNF has been successful in the 6-hydroxydopamine (6-OHDA) model after striatal injection, we tested injection to the substantia nigra and characterized the injection in naïve rats to further study CDNF. We expected similar effects of CDNF on dopamine neurons and behaviour using nigral injection, however issues with the injection paradigm and that CDNF was given as a single injection meant only minor behavioural effects and no restoration of dopamine neurons. Though when CDNF was injected to the substantia nigra of naïve rats, it was not transported to the striatum, but rather diffused around the midbrain. Lastly, we used a proteasomal inhibitor, the lactacystin toxin. When lactacystin was injected we observed a buildup of α-syn, nigrostriatal dopamine loss, neuroinflammation, and mild behavioural deficits. In general, this was repeated successfully and could be used for therapeutic studies. In conclusion, we used four different methods to model Parkinson’s disease to varying degrees of success in order to test CDNF. Our results indicate the importance of having proper controls and outcome measures. Additionally, we had success in modeling the progressive spreading of Lewy-like pathology, a phenomenon that is occurring in Parkinson’s disease. Notably, CDNF had some success and future studies will explore this further.Parkinsonin tauti diagnosoidaan mustatumakkeen dopamiinihermosolujen kuolemasta johtuvien motoristen oireiden perusteella. Useimmat tautitapauksista ovat idiopaattisia ja taudin kulkuun vaikuttavia lääkkeitä ei ole olemassa. Koska taudin taustalla olevat mekanismit ovat vielä tuntemattomia, taudin kulkuun vaikuttavien lääkkeiden tai hoitojen kehittäminen on ollut vaikeaa. Αlfasynukleiini on proteiini selkärankaisten keskushermoston hermosoluissa. Sen merkitys taudissa havaittiin, kun geenin mutaatioiden todettiin johtavan perinnölliseen taudin muotoon sekä sijaitsevan Lewyn kappaleissa. Aivojen dopamiinihermokasvutekijä (CDNF) on evolutionaarisesti säilynyt proteiini. Sen on osoitettu suojaavan dopamiinihermosoluja taudin hermomyrkkymalleissa ja se on parhaillaan I / II-vaiheen kliinisissä tutkimuksissa. Sitä ei ole tutkittu α-synukleiinin eläinmalleissa, joten väitöskirjatutkimukseni tavoitteena oli mallintaa α-synukleiiniin perustuvaa Parkinsonin tautia. Tämän lisäksi halusin tutkia CDNF:n vaikutuksia näissä malleissa sekä α-synukleiinin kertymisessä. Kehitimme kaksi α-synukleiiniin ja sen kertymiseen perustuvaa mallia, adeno-assosioitunut virusvektori- (AAV) sekä α-synukleiinifibrillimallin, tutkiaksemme CDNF:ää. Käytimme ihmisen normaalin α-synukleiinin sisältävää AAV-vektoria. Mallinsimme onnistuneesti aikaisemmin kuvatut käyttäytymishäiriöt, mutta suuren mallinsisäisen vaihtelun vuoksi CDNF:n tutkiminen ei ollut mahdollista. Koska kontrollikäsittelyt johtivat ristiriitaisiin tuloksiin, teimme johtopäätöksen, ettei malli ole ihanteellinen Parkinsonin taudille. Käyttäen α-synukleiinifibrillimallia endogeenisen α-synukleiinin kertymisen käynnistämiseksi havaitsimme joitakin käyttäytymishäiriöitä, jotka CDNF normalisoi, mutta malli ei johtanut dopamiinihermosolujen kuolemaan. Pystyimme kuitenkin mallintamaan Lewyn kappaleita ja neuriitteja muistuttavien laskostumien leviämistä, jotka olivat positiivisia α-synukleiinin fosforyloituneelle muodolle. Rinnakkaisten in vitro -tutkimusten perusteella CDNF saattaa vaikuttaa α-synukleiinifibrillimalliin, mutta tämän selvittämiseksi tarvitaan lisätutkimuksia. Koska CDNF on ollut tehokas 6-hydroksidopamiinitoksiinimallissa (6-OHDA-mallissa) aivojuovioon annetun CDNF-injektion jälkeen, testasimme injektiota mustatumakkeeseen ja CDNF:n lokalisoitumista normaaleilla rotilla CDNF:n jatkotutkimiseksi. Odotimme CDNF:llä olevan samankaltaisia dopamiinihermosoluja suojaavia vaikutuksia annosteltaessa CDNF mustatukkeeseen, mutta suuren hajonnan sekä haastavan koesuunnitelman vuoksi käyttäytymisvaikutukset olivat vähäisiä ja eikä dopamiinihermosolujen palautumista tapahtunut. Kuitenkin annosteltaessa CDNF:ää rottien mustatumakkeeseen sitä ei kuljeteta aivojuovioon, vaan CDNF leviää aivoissa injektiopaikan ympärille. Lopuksi käytimme proteasomaalista inhibiittoria, laktakystiinia. Injektoitaessa laktakystiinia havaitsimme α-synukleiinin kertymistä, vähäistä dopamiinihermosolujen kuolemaa, neuroinflammaatiota ja lieviä käyttäytymishäiriöitä. Laktakystiinimalli toistettiin onnistuneesti, ja malli voisi olla hyvä myös lääkekehityksen kannalta. Johtopäätöksenä voidaan todeta, että käytimme neljää eri tapaa mallintaa Parkinsonin tautia CDNF:n tutkimiseksi vaihtelevin menestyksin. Tuloksemme viittaavat asianmukaisten kontrollien ja tulosmittarien tärkeyteen. Lisäksi onnistuimme mallintamaan asteittain kehittyviä Lewyn kappaleiden kaltaisia muutoksia, joita esiintyy Parkinsonin taudissa. CDNF-injektiot toimivat osittain, ja tulevat tutkimukset jatkavat työtä.
Subject: Neuroscience
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
MODELLIN.pdf 2.053Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record