IGF und andere neurotrophe Faktoren bei Patienten mit Demenz

Einführung Demenz Die geschätzte Prävalenz von Demenz in Dänemark beträgt 85.000 (2011) und die weltweite Prävalenz liegt bei fast 36 Millionen (2010). Darüber hinaus wird sich die Zahl in den nächsten 20 Jahren voraussichtlich verdoppeln, vor allem aufgrund der demografischen Alterung. Die Kosten der Demenz machen 1 % des weltweiten BIP aus – eine Perspektive, die die derzeitigen Gesundheitssysteme und Volkswirtschaften herausfordern wird (1,2,3).

Demenz umfasst eine Reihe fortschreitender degenerativer Erkrankungen des Gehirns. Demenz ist gekennzeichnet durch eine fortschreitende Verschlechterung der Kognition, Funktion und des Verhaltens, die so schwerwiegend ist, dass sie die soziale und berufliche Funktionsfähigkeit beeinträchtigt. Demenz ist gekennzeichnet durch den Verlust des episodischen Gedächtnisses, Schwierigkeiten beim Benennen und Wortfinden, Apraxie, exekutive Dysfunktion und Veränderungen der Persönlichkeit und Stimmung. Die häufigste Ursache für Demenz ist die Alzheimer-Krankheit (4, 5, 6).

Die Pathogenese der Alzheimer-Demenz bleibt unklar. Viele Jahre lang war das pathophysiologische Kennzeichen der Alzheimer-Demenz die Toxizität, die durch die Akkumulation der Proteine ​​Amyloid-beta in Plaques und phosphoryliertem Tau in Verbindung mit neurofibrillären Tangles verursacht wird. Diese Theorie basiert jedoch auf dem genetischen „früh beginnenden familiären Alzheimer“, der ein seltener vererbter Typ ist. Gegenwärtig widersprechen die Hypothesen zur Pathogenese von Alzheimer tatsächlich der Amyloid-beta-Theorie. Daher ist es notwendig, unser Verständnis der Mechanismen zu verbessern, die zu den häufigsten Formen der Alzheimer-Krankheit führen. Ein besseres Verständnis der Krankheit kann eine frühere Diagnose und vor allem eine kausale Behandlung von Alzheimer im Gegensatz zu den heute verfügbaren rein symptomatischen Optionen ermöglichen (4, 7, 8, 9).

IGF-System Einer der Hauptbereiche der neueren Demenzforschung ist die Rolle der neurotrophen Unterstützung, ein Forschungsgebiet, das Insulin und das Insulin-ähnliche Wachstumsfaktorsystem umfasst. Insulin und das IGF-System sind lebenslang wichtig für das normale somatische Wachstum, die Entwicklung, die Gewebereparatur und die Regeneration. Frühere Studien haben gezeigt, dass Beeinträchtigungen der zerebralen Glukoseverwertung und des Energiestoffwechsels sehr frühe Anomalien darstellen, die den Anfangsstadien der kognitiven Beeinträchtigung vorausgehen oder diese begleiten. Typ-2-Diabetes, der häufig durch Insulinresistenz gekennzeichnet ist, wurde jedoch nicht als Ursache von Alzheimer nachgewiesen, obwohl ein Zusammenhang zwischen Insulinresistenz und kognitiver Dysfunktion besteht.

Die zellulären Signalwege von IGF-I und IGF-II überschneiden sich weitgehend mit den Signalwegen von Insulin, und alle drei Proteine ​​binden an die gleichen Rezeptoren, wenn auch mit unterschiedlicher Affinität. Mehrere Studien haben gezeigt, dass das Verhältnis zwischen den Konzentrationen von IGF-I in Zerebrospinalflüssigkeit (CSF) und Plasma (das CSF/Plasma-Verhältnis) bei Alzheimer-Patienten verringert ist. Interessanterweise scheint IGF-I die Amyloid-Beta-Clearance zu fördern.

IGF-II wurde weniger untersucht, wird aber sowohl während der Entwicklung als auch im Erwachsenenalter im Gehirn exprimiert und nimmt mit zunehmendem Alter ab. Im Gehirn ist die relative Konzentration im Hippocampus am höchsten. (10-14). Darüber hinaus verfügt unsere Gruppe über neue Daten, die darauf hindeuten, dass IGF-II im Liquor der wichtigste Wachstumsfaktor ist, wenn es darum geht, den IGF-I-Rezeptor zu aktivieren (Mia-Maiken Kallestrup et al., Manuskript in Vorbereitung).

Gedächtnis Gedächtnis ist eine Frage der Konsolidierung, wodurch neu erlernte labile Informationen stärker und widerstandsfähiger gegen Störungen werden. Dieser Prozess hängt von der de novo RNA- und Proteinsynthese und der Funktion des cAMP-Response-Element-Bindungsproteins (CREB) und des CCAAT-Enhancer-Bindungsproteins (C/EBP) ab, die beide Transkriptionsfaktoren sind. Frühere Studien haben gezeigt, dass es eine Bindungsstelle für C/EBP in der Promotorregion des IGF-II-Gens in der Leber und anderen Geweben gibt (10).

IGF-II und Gedächtnis Um das Rätsel der Demenz zu lösen, ist es wichtig, frühe Veränderungen von Biomarkern in frühen Stadien der Demenz zu erklären und dadurch möglicherweise die Pathogenese und mögliche Behandlungen aufzudecken. Ein Experiment mit Ratten und Gedächtnis könnte dazu bereits den ersten Schritt getan haben. Es wurde gezeigt, dass die Verabreichung von IGF-II an Ratten die Gedächtniserhaltung signifikant verbessert und das Vergessen verhindert. Darüber hinaus führt das inhibitorische Vermeidungslernen (ein Paradigma, bei dem das Subjekt lernt, einen bestimmten Kontext mit dem Auftreten zu assoziieren) zu einer Erhöhung der Hippocampus-Expression von IGF-II. Schließlich, aber noch wichtiger, verbessern Injektionen von rekombinantem IGF-II in den Hippocampus nach dem Training oder Abrufen des Gedächtnisses signifikant die Gedächtniserhaltung und verhindern das Vergessen (10).

Neurotrophe Wachstumsfaktoren:

Das menschliche erwachsene Gehirn ist in der Lage, neue Neuronen zu erzeugen, obwohl es eine begrenzte Kapazität hat. Möglicherweise hängt diese Kapazität von ausreichend neurotrophen Wachstumsfaktoren ab. Zu den neurotrophen Faktoren gehören der Nervenwachstumsfaktor (NGF) und der vom Gehirn abgeleitete neurotrophe Faktor (BDNF).

BDNF ist wichtig für das neuronale Überleben, die synaptische Plastizität und das Gedächtnis, was zusammen mit der Tendenz zu erhöhten BDNF-Spiegeln in frühen Stadien der Alzheimer-Krankheit auf einen Zusammenhang hinweist. Der Anstieg von BDNF in frühen Stadien der Alzheimer-Krankheit könnte ein Spiegelbild der Kompensation der Neurodegeneration sein. Während des Fortschreitens der Alzheimer-Krankheit sinkt der BDNF-Spiegel auf das Niveau gesunder älterer Menschen.

NGF induziert das Wachstum von Neuronen und hält die Neuronenproliferation in Wechselwirkung mit anderen Wachstumsfaktoren aufrecht. NGF-Spiegel im Serum, CSF oder Gehirn scheinen sich von Alzheimer-Patienten nicht von normalen älteren Patienten zu unterscheiden, scheinen jedoch zwischen verschiedenen Gehirnregionen zu variieren. Schließlich korreliert das Expressionsmuster von BDNF und NGF stark mit der Amyloidkonzentration (15).

Differenzierungscluster 163 (CD-163) CD-163 ist ein Scavenger-Rezeptor, der Makromoleküle für den Hämoglobin-Haptoglobin-Komplex und seine Konzentrationen als Hinweis auf die Monozyten-Makrophagen-Aktivierung erkennt und aufnimmt. Die lösliche Form des Rezeptors heißt sCD163 und kommt im Plasma vor. Die sCD163-Spiegel im Plasma sind bei einer Vielzahl von entzündlichen Erkrankungen hochreguliert (16).

Hypothese Patienten mit Demenz haben eine deregulierte Konzentration und/oder Aktivität von IGF-I, IGF-II, NGF, BDNF und sCD-163 im Liquor cerebrospinalis.

Zweck Definition der Konzentration und biologischen Aktivität von IGF-I, IGF-II, BDNF, NGF und sCD-163 in der Zerebrospinalflüssigkeit und im Serum von Patienten mit Alzheimer im Vergleich zu Kontrollen (Patienten mit nicht näher bezeichneten neurologischen Symptomen oder Erkrankungen).

Methode Studienpopulation Alle teilnehmenden Patienten müssen über 18 Jahre alt sein. Sie sind im Falle einer akuten bakteriellen Neuroinfektion und einer akuten Blutung von der Studie ausgeschlossen. Die Studienpopulation dieses Projekts wird alle Patienten mit nachgewiesener oder vermuteter Demenz umfassen, die sich einer Lumbalpunktion in der Abteilung für Neurologie des Universitätsklinikums Aarhus unterziehen ihre diagnostische Aufarbeitung.

Zu den Kontrollen gehören Patienten mit nicht näher bezeichneten neurologischen Symptomen oder Erkrankungen, die unabhängig von dieser Studie im Rahmen ihrer diagnostischen Abklärung in der Abteilung für Neurologie des Universitätsklinikums Aarhus einer Lumbalpunktion unterzogen werden.

Die Patientinnen und Patienten erhalten Informationen über das Forschungsprojekt und werden gebeten, ihre Inhalte zur Teilnahme anzugeben. Die Teilnahme beinhaltet die Entnahme von 2-3 ml zusätzlicher Rückenmarksflüssigkeit und einer zusätzlichen Blutprobe (10 ml), die zur Analyse von IGF-Systemkomponenten und neurotrophen Faktoren verwendet werden. Die Teilnehmer erhalten keinerlei Bezahlung, können aber eine Entschädigung für den Transport erhalten.

Bei der Diagnostik und damit auch im Forschungsprojekt berücksichtigen wir stets die psychische und physische Verfassung des Patienten. Das Forschungsprojekt wird gemäß dem Gesetz über die Verarbeitung personenbezogener Daten durchgeführt.

In der Abteilung für Neurologie des Universitätskrankenhauses Aarhus verwendet die Demenzklinik die Lumbalpunktion als diagnostisches Instrument bei etwa drei Patienten pro Woche. Es wird geschätzt, dass etwa 1/3 bis 1/2 dieser Patienten mit der Diagnose Alzheimer enden und diese Patienten letztendlich über einen Zeitraum von 36-40 Wochen in das Projekt aufgenommen werden. Insgesamt wird dies während des Studienzeitraums den Einschluss von 50-60 Patienten ermöglichen.

Analyse Die Rückenmarksflüssigkeit und das Serum werden im Medizinischen Forschungslabor analysiert. Die Rückenmarksflüssigkeit und die Blutproben werden in einer Forschungsbiobank am Universitätskrankenhaus Aarhus hinterlegt. Es ist geplant, alle biochemischen Analysen gleichzeitig mit der Entnahme aller Proben durchzuführen. Bei entsprechender Kenntnis des Gebiets beabsichtigen wir, die Proben für 5 Jahre nach diesem Projekt zu hinterlegen. Wenn die Proben für ein anderes Projekt verwendet werden sollen, verlangen das Nationale Komitee für Ethik der Gesundheitsforschung und die dänische Datenschutzbehörde erneut einen Antrag.

Die immunologischen Konzentrationen von IGF-I und IGF-II werden durch validierte interne Analysen gemessen. Darüber hinaus verfügt das Universitätskrankenhaus Aarhus über eine einzigartige Technik, mit der es möglich ist, die Bioaktivität von IGF-I und -II in der Zerebrospinalflüssigkeit zu messen. Die Technik basiert auf einem 2003 entwickelten zellbasierten internen Bioassay. Dieses Verfahren berücksichtigt, dass ein großer Teil des IGF-I und IGF-II an Proteine ​​gebunden ist und daher als biologisch inaktiv anzusehen ist. Der Bioassay ist in der Lage, die Fähigkeit von sowohl Serum als auch Cerebrospinalflüssigkeit zu messen, IGF-IR in vitro zu stimulieren, was das Verfahren viel spezifischer macht. Pilotuntersuchungen unserer Gruppe haben gezeigt, dass es möglich ist, die biologische IGF-IR-Aktivität im Liquor cerebrospinalis zu messen. Es ist bewiesen, dass:

i) Die biologische IGF-In-vitro-Aktivität von Liquor cerebrospinalis stammt hauptsächlich von IGF-II. ii) Die biologische Aktivität ist weit höher als erwartet im Vergleich zu einfachen Konzentrationsmessungen aufgrund der niedrigen Konzentrationen von IGF-bindenden Proteinen.

Die immunologischen Konzentrationen der IGF-bindenden Proteine ​​werden durch kommerzielle oder intern entwickelte Immunoassays und Liganden-Blotting-Techniken gemessen.

Die Konzentrationen von NGF, BDNF und sCD-163 in Rückenmarksflüssigkeit und Serum werden mit bereits etablierten Techniken analysiert und die Rückenmarksflüssigkeit wird spektrometrisch untersucht.

Klinische Untersuchung Die klinische Untersuchung wird als selbstverständlicher Bestandteil der Demenzuntersuchung durchgeführt. Dazu gehören die Anamnese und eine objektive Untersuchung, CT-Scan und kognitive Tests, einschließlich MMSE (Mini-Mental State Examination) und ACE (Adenbrooke´s Cognitive Examination). Im Zweifelsfall erfolgt eine weitergehende Untersuchung durch einen Neurophysiologen. Informationen aus der klinischen Untersuchung in Form von Krankenakten werden verwendet, um die Möglichkeit einer Demenz als Diagnose einschließlich des Fortschreitens der Krankheit zu bewerten und dadurch die möglichen deregulierten Konzentrationen und/oder Aktivitäten von IGF-I, IGF-II, NGF, BDNF und sCD-163 im Liquor cerebrospinalis.

Leistung Die Bioaktivität von IGF im Liquor cerebrospinalis bei Patienten mit Demenz wurde bisher nicht bestimmt. Pilotdaten zeigen, dass die Bioaktivität von IGF-II bei gesunden Menschen (n = 9) 57 ± 13 ng/ml (Mittelwert ± Standardabweichung) beträgt. Wenn die Differenz in einer Patientengruppe auf 26 ng/ml ( ̴ 2 x SD) gesetzt wird, dann ergibt die Einbeziehung von 10 Personen pro Gruppe dem Projekt eine Power von 90 % unter Verwendung von ANOVA und ein Signifikanzniveau von 5 %. Es wurde daher ausgewählt, 15 Patienten in das Projekt aufzunehmen.

Statistik Für statistische Analysen wird das Programm ANOVA verwendet. Abhängig von der Normalverteilung der Daten werden parametrische oder nichtparametrische Tests verwendet. Bei allen statistischen Analysen wird ein Signifikanzniveau von 5 % verwendet.

Perspektive Wie bereits erwähnt, belaufen sich die Kosten der Demenz bereits auf 1 % des weltweiten BIP, und es wird erwartet, dass sich die Demenzprävalenz innerhalb der nächsten zwanzig Jahre verdoppeln wird. Die fortschreitende Natur der Krankheit bedeutet, dass schätzungsweise 43 % der Demenzfälle ein hohes Maß an Pflege benötigen (äquivalent zu einem Pflegeheim). Daher liegt es auf der Hand, dass Prävention, verzögerter Beginn, verlangsamter Verlauf und potenzielle Heilbarkeit entscheidende Faktoren nicht nur für das Wohlergehen von Patienten und Angehörigen, sondern auch für die Ökonomie der Gesundheitssysteme sind. (2,17) Dieses Forschungsprojekt basiert auf der neueren Theorie der Demenz als Krankheit im IGF-System, aber im Gegensatz zu anderen Studien sind wir in der Lage, sowohl Konzentrationen als auch Bioaktivität zu messen. Dies wird möglicherweise weitere Erkenntnisse über die Dynamik von Demenz eröffnen und dadurch möglicherweise ein weiteres Verständnis der Pathogenese und der medizinischen Ziele von Demenz aufzeigen.

Ethische Überlegungen Ethische Überlegungen im Allgemeinen Die Tests, die an den Patienten durchgeführt werden, die an diesem Forschungsprojekt beteiligt sind, sind Lumbalpunktion und Blutproben. Beide Tests werden unabhängig von dieser Studie im Rahmen der Diagnostik durchgeführt.

Die Durchführung einer Lumbalpunktion ist mit einigen Risiken verbunden, zu denen Kopfschmerzen nach der Lumbalpunktion mit einer Inzidenz von 12 % gehören, die jedoch am häufigsten bei jüngeren Patienten auftreten. Meistens sind die Kopfschmerzen von kurzer Dauer und können durch Anbringen eines Blutpflasters geheilt werden. Die Verwendung einer Nadel zur Lumbalpunktion kann vorübergehende Schmerzen im Lendenwirbelbereich und eine Ansammlung verursachen. Ethische Überlegungen für Patienten mit Demenz Die betroffene Patientengruppe verursacht eine erweiterte ethische Abwägung. Wie bereits erwähnt, verursachen Demenzsymptome Gedächtnisverlust, Schwierigkeiten, die richtigen Worte zu finden und zu verstehen, was die Leute sagen. Daher ist fraglich, ob die Patienten in der Lage sind, eine eigenständige Entscheidung über die Teilnahme an dem Projekt zu treffen (6).

Bei allen Demenzpatienten werden alle Tests im Rahmen der Standarddiagnostik für Demenz durchgeführt. Daher führt diese Studie keine zusätzliche Untersuchung ein, die den ethischen Aspekt dieser Studie verteidigt. In Anbetracht des geringen Risikos dieses Projekts, der milden Demenzformen und der hohen Prävalenz und Schwere der Erkrankung bewerten wir dieses Projekt als ethisch vertretbar. Darüber hinaus ist es von großer Bedeutung, die Pathogenese und mögliche Angriffspunkte der Demenz zu untersuchen.

Ziel Positive, negative sowie nicht schlüssige Ergebnisse dieser Studie werden veröffentlicht. Die Ergebnisse bilden die Grundlage für einen Forschungsjahresbericht und einen Artikel zur Veröffentlichung in einer englischsprachigen Peer-Review-Zeitschrift.