Disease progression in Parkinson’s disease (PD) – a-Synuclein and Sirtuin 2 as biomarker and biological aspects of their interaction
Prosjekt
- Prosjektnummer
- 911832
- Ansvarlig person
- Marthe Gurine Førland
- Institusjon
- Helse Stavanger HF
- Prosjektkategori
- Forskerutdanning - dr.grad
- Helsekategori
- Neurological
- Forskningsaktivitet
- 4. Detection and Diagnosis
Rapporter
Parkinson's disease (PD) and Dementia with Lewy (DLB) bodies are major neurodegenerative diseases characterized by a build-up of intra-neuronal inclusions called Lewy bodies and Lewy neurites, which consist mainly of aggregated a-synuclein. The cause of this aggregation is unknown and early diagnosis of these diseases are demanded but challenging.PD is the most frequent movement disorder, affecting approximately 1% of people over 60 years, and 3% of people aged 80 and older. DLB is the second most common dementia accounting for 10-15% of all dementia cases worldwide. Due to increased life expectancy in industrialized countries, it has been projected a dramatic increase of patients with PD, DLB and other age-related disorders in the future.
With no cure available, PD has far-reaching consequences for patients, relatives, caregivers and the public health care system. The classical motor symptoms first arise when up 70% of the neurons in the substantia nigra are already lost, which means that the pathological changes starts long before the symptoms appear. There are many alleged reasons for neurodegeneration in PD. One of them is the toxicity created by a-synuclein misfolding and aggregation into oligomers and insoluble Lewy bodies (LBs). PD and DLB are part of a group of diseases termed “synucleinopathies” which are all characterized by LB pathology. Interestingly, LB pathology is also present in up to 50% of all patients with Alzheimer’s disease (AD), which is primarily a taupathy.
Setting the correct diagnose for PD and related disorders is very challenging, especially in early stages of the disease due to overlapping symptoms, shared pathologies and broad clinical heterogeneity. However, an early, correct diagnosis is essential for treatment management of the disease, which highlights the need for biomarkers that detect pathological changes at an early, pre-symptomatic stage. Further, there is an urgent need for biomarkers that can predict disease progression or can be used to evaluate disease-modifying therapies. This would help patients get a more targeted- and individualized treatment and care.
In this project, we investigated the biomarker potential of a-synuclein in cerebrospinal fluid (CSF). We used our recently developed and validated in-house ELISA and the commercial kit from BioLegend to measure total a-synuclein concentrations in CSF from controls, PD and AD patients. We found elevated levels of total a-synuclein in the AD group compared to the PD group and controls. The PD group, which is part of the Park West study, donated CSF and underwent a standardized motor, cognitive and neuropsychological assessment program at follow-up visits 3, 5 and/or 7 years after diagnosis. These samples and data will be used to look for changes in total a-synuclein concentration over time, to find out if total a-synuclein has potential as a prognostic- or surrogate biomarker. The study will be completed this year with the analysis of a DLB cohort and a clinically diagnosed AD cohort to investigate whether CSF total a-synuclein not only distinguishes AD from PD and controls but also from DLB.
Parkinsons sykdom (PS) er en kronisk, progressiv, nevrodegenerativ sykdom som rammer stadig flere eldre. Det er den vanligste bevegelsesforstyrrelsen og den nest mest vanlige nevrodegenerative sykdommen på verdensbasis. I dette prosjektet forskes det på a-Synuclein, et protein som har en svært sentral rolle i patogenesen av PS.Et av hoved kjennetegnene ved PS er at dopaminproduserende nevroner i substantia nigra og andre deler av hjernen, skades og dør. Dette skylles bland annet en opphoping av intracellulære inklusjoner (Lewy legemer) i de rammede hjerneregionene. Lewy legemer består hovedsakelig av aggregert a-Synuclein, et lite protein som det finnes rikelig av i hjernen. Symptomer på PS oppstår først når ca 70% av nevronene i substantia nigra allerede har degenerert, noe som betyr at de patologiske endringene begynner lenge før symptomer oppstår og diagnosen blir stilt. Av den grunn er det viktig å komme frem til biomarkører som kan bidra til å oppdage disse endringene på et tidlig stadium. En pre-symptomatisk markør ville kunne bidra til å kunne stille en tidligere og kanskje sikrere diagnose, samt fremskynde behandling og dermed potensielt bedre pasientens fremtid. PS er en veldig heterogen sykdom med varierende symptomer og progresjon. Biomarkører som kan gi informasjon om patologiske endringer over tid vil kunne være med å forutsi i hvilken grad eller retning sykdommen utvikler seg, og vil kunne bidra til mer målrettet behandling og oppfølging. I dette prosjektet vurderes ulike proteiner som er tilstede i cerebrospinalvæske (CSF), bl.a a-Synuclein, som potensielle biomarkører for diagnose/prognose av PS. I 2014 ferdigstilte vi en eget metode (MSD ELISA) for å kunne måle total a-Synuclein i cerebrospinalvæske (CSF). Vi utførte en pilotstudie med 9 Parkinsons pasienter vs. 9 kontroller. Resultatet viste noen tendenser, men ingen signifikant forskjell mellom gruppene. I 2015 har vi inngått et samarbeid med en gruppe i Gøteborg og skal i den sammenheng gjennomføre en større studie hvor vi skal måle total a-Synuclein i en større kohort med Parkinsons pasienter, flere kontroller, samt en gruppe Alzheimers pasienter. Metoden valideres nå enda mer omfattende etter de nye anbefalinger fra en internasjonal ekspertgruppe publisert i slutten av 2015. Metoden, valideringen og den utvidede studien skal utgjøre artikkel 1 og 2. I forbindelse med et parallelt pågående prosjekt målte vi konsentrasjonen av flere andre relevante proteiner i spinalvæske. Disse resultatene skal settes i sammenheng med resultatet av a-Synuclein målingene. I tillegg til biomarkørprosjektet studerer vi a-Synuclein på basalt nivå ved hjelp av cellekulturer (SH-SY5Y celler). Vi har tidligere sett en interaksjon mellom a-Synuclein og Sirtuin 2, en deacetylase som bl.a. er involvert i cellers aldringsprosess, og som har blitt knyttet direkte til nevrodegenerasjon og PS. I 2015 har vi studert den intracellulære lokalisasjonen av dette komplekset i mer detalj ved hjelp av ulike organellemarkører. Vi har også begynt å opprette stabile knock-out cellelinjer for a-Synuclein og Sirtuin 2 som utvidet forskningsverktøy som vil gjøre oss i stand til å studere funksjonelle aspekter av interaksjonen. Videre skal vi jobbe med å spesifisere interaksjonssekvensen på både a-Synuclein og Sirtuin 2. I 2015 planla og designet vi DNA konstruktene som kreves for dette. De første konstruktene har blitt ferdigstilt i 2015.
Parkinsons sykdom rammer stadig flere eldre og er en belastning både for pasienten, de pårørende og for samfunnet. Et viktig kjennetegn på Parkinsons sykdom er reduksjon av dopaminerge nevroner og dannelse av intracellulære inklusjoner i hjernen, men hva som er årsaken til nevrodegenerasjonen og de påfølgende symptomene er ennå ikke klarlagt.Parkinsons sykdom er den vanligste bevegelsesforstyrrelsen og den nest mest vanlige nevrodegenerative sykdommen på verdensbasis. Den kjennetegnes ved tap av dopaminerge nevroner i et område av hjernen kalt substantia nigra og opphoping av intracellulære proteinaggregater (Lewy legemer) i hjernen. Dette fører til en rekke motoriske og ikke-motoriske symptomer. Diagnosen stilles kun basert på kliniske observasjoner, men symptomene overlapper ofte med andre nevrodegenerative sykdommer. Derfor er det behov for sykdomsspesifikke biomarkører som kan bedre diagnostiseringen og dermed behandlingen. Det er stor variasjon i sykdomsprogresjon hos Parkinsons pasienter. Av den grunn er det også behov for markører som kan fange opp patologiske endringer over tid, og som kan bidra til å forstå og predikere sykdomsforløpet. I dette prosjektet ser vi etter potensielle protein biomarkører i spinalvæske, hvor alfa-Synuklein og Sirtuin 2 er blant kandidatene. I løpet av første år av prosjektet har vi ferdigstilt et eget ELISA assay for å kunne måle alfa-Synuklein i spinalvæske. I tillegg har vi kjørt en pilotstudie på Parkinsons pasienter vs. kontroller. Resultatet viste ingen signifikant forskjell mellom gruppene, men forsøket skal utvides til større grupper for å få mer valide resultater. Metoden og pilotstudien er samlet i artikkel 1 som er sendt inn nylig. Vi har også startet planleggingen med å videreutvikle dette ELISA assayet til å kunne måle oligomer- og fosforylert alfa-Synuklein.
Ved siden av biomarkør-prosjektet jobbes det med basalforskning på alfa-Synuklein for å finne ut mer om dens ukjente funksjoner. Alfa-Synuklein er det proteinet det finnes mest av i Lewy legemer, og vi er derfor interessert i å finne nye interaksjonspartnere og hvilken rolle det har for nervecellenes funksjon både i fysiologisk og patologisk tilstand. Gjennom cellekultur eksperimenter utført på SH-SY5Y celler, har vi vist at alfa-Synuklein interagerer med Sirtuin 2, et protein som er knyttet til bl.a aldring, stressrespons og nevrodegenerasjon. Vi har også gjort cellekultur eksperimenter for å se hvor i cellen alfa-Synuklein bundet til Sirtuin 2 befinner seg. Disse resultatene er delvis klare og vil bli til artikkel 2. Senere vil vi forsøke å identifisere selve interaksjonsbindingsstedet på hvert av de to proteinene, og prøve å komme nærmere et svar på hva slags rolle dette komplekset har for cellenes funksjonalitet. Det faktum at alfa-Synuklein interagerer med Sirtuin 2 har gjort at vi også vil forsøke å måle Sirtuin 2 i spinalvæske og serum for å se om det har biomarkørpotensiale knyttet til Parkinsons sykdom.
Vitenskapelige artikler
Alves Guido, Lange Johannes, Blennow Kaj, Zetterberg Henrik, Andreasson Ulf, Førland Marthe G, Tysnes Ole-Bjørn, Larsen Jan P, Pedersen Kenn F
CSF Aß42 predicts early-onset dementia in Parkinson disease.
Neurology 2014 May 20;82(20):1784-90. Epub 2014 apr 18
PMID: 24748671
Førland MG, Öhrfelt A, Oftedal LS, Tysnes OB, Larsen JP, Blennow K, Zetterberg H, Alves G, Lange J.
Validation of a new assay for a-synuclein detection in cerebrospinal fluid.
online first 2016, Clin Chem Lab Med. 2017 Feb 1;55(2):254-260. doi: 10.1515/cclm-2016-0409., 2016
Deltagere
- Marthe Gurine Førland Ph.d.-kandidat
- Jodi Grødem Medveileder
- Guido Alves Medveileder
- Johannes Lange Hovedveileder
- Jan Petter Larsen Medveileder
eRapport er utarbeidet av Sølvi Lerfald og Reidar Thorstensen, Regionalt kompetansesenter for klinisk forskning, Helse Vest RHF, og videreutvikles av de fire RHF-ene i fellesskap, med støtte fra Helse Vest IKT
Alle henvendelser rettes til Faglig rapportering, Helse Vest