Ccf mtDNA als neurodegenerativer Biomarker

Bis heute sind die spezifischen Ursachen von Multipler Sklerose (MS) ungewiss, und in ihrer Pathogenese wurde eine Wechselwirkung zwischen Umwelt- und genetischen Faktoren impliziert, die zu Entzündung, Demyelinisierung und Neurodegeneration des Zentralnervensystems (ZNS) führt. Epidemiologische Studien, die in ethnischen Gruppen von Familien, Zwillingen, Halbgeschwistern und konjugierten Paaren durchgeführt wurden, unterstützen eine genetische Komponente dieses Prozesses. Das Risiko für eineiige Zwillinge ist 300-fach und für Verwandte ersten Grades 20-50-fach höher als für eine Person in der Allgemeinbevölkerung nordeuropäischer Herkunft mit einer Prävalenzrate von 0,1. Die beobachteten Übertragungsmuster sind mit einem autosomal-dominanten, rezessiven oder X-chromosomalen Erbgang nicht vereinbar. MS ist eine komplexe Merkmalsstörung, die durch mehrere Gene definiert wird, von denen jedes nur eine geringe Wirkung ausübt, und in Wechselwirkung mit der Umwelt steht. Phänotypische Ausprägungen von MS legen die Beteiligung komplexer Mechanismen mit Merkmalen von Autoimmunität und Neurodegeneration nahe. Die derzeit zugelassenen krankheitsmodifizierenden Medikamente zielen hauptsächlich auf die entzündlichen Komponenten ab, haben aber eine begrenzte Wirkung auf die Neurodegeneration bei MS. Die kognitive Beeinträchtigung kann ein frühes Merkmal des demyelinisierenden Krankheitsprozesses sein, und in einigen Fällen wurde eine Demenz ohne schwere neurologische Anzeichen dokumentiert. Es gibt eine gewisse Korrelation zwischen dem Subtyp der Erkrankung und der kognitiven Beeinträchtigung: Tatsächlich ist allgemein bekannt, dass kognitive Beeinträchtigungen häufiger auftreten und bei Patienten mit progressiver MS schwerer sind als bei Patienten mit schubförmiger MS. Beeinträchtigungen kognitiver Bereiche wie Gedächtnis, geistige Verarbeitungsgeschwindigkeit, Aufmerksamkeit und exekutive Funktionen können bereits im Frühstadium der Erkrankung auftreten und sich mit der Zeit tendenziell verschlimmern. Darüber hinaus sind die zugrunde liegenden pathophysiologischen Mechanismen der bei MS beobachteten kognitiven Beeinträchtigung und neuropsychiatrischen Störungen nicht vollständig verstanden. Anomalien der weißen Substanz allein können das Ausmaß der klinischen Symptome bei MS, einschließlich der kognitiven Beeinträchtigung, nicht vollständig erklären. Darüber hinaus haben mehrere MRT-Techniken die Beteiligung der grauen Substanz bei MS und den Zusammenhang zwischen einer Schädigung der grauen Substanz, körperlicher Behinderung und kognitiver Beeinträchtigung gezeigt. Daher werden Biomarker benötigt, die die verschiedenen Aspekte der Krankheitsheterogenität zuverlässig erfassen und helfen könnten, die Ätiopathogenese, Diagnose und Prognose der MS-Krankheit besser zu verstehen, das Ansprechen auf Behandlungen vorherzusagen und neue Behandlungen zu entwickeln.

Insbesondere werden zunehmend Anstrengungen unternommen, molekulardiagnostische Marker zu entwickeln, die Anforderungen wie leichte Zugänglichkeit z. B. aus Blut, hohe Spezifität und Sensitivität, niedrige Kosten und Anwendbarkeit durch Laboratorien mit Standardausrüstung erfüllen. Mehrere Blut-, Plasma- oder Serum-MS-Biomarker wurden vorgeschlagen, um diese Kriterien zu erfüllen. Dabei werden die zirkulierenden Marker neben den klassischen Serummarkern auch durch die Zellen und durch frei zirkulierende Nukleinsäuren (DNA, RNA) repräsentiert. In den letzten Jahren hat sich unter den zirkulierenden Nukleinsäuren eine mögliche Rolle der mitochondrialen DNA als Biomarker bei der Diagnose zahlreicher Pathologien herauskristallisiert.

Beim Menschen ist die mtDNA im Vergleich zur Kern-DNA deutlich kleiner (16.569 bp vs. 3,2 Milliarden bp), und es besitzt nur 37 Gene, von denen 13 Proteine ​​kodieren, die zur Atmungs-Elektronentransportkette gehören. Im Gegensatz zur Kern-DNA enthält mtDNA keine schützenden Histone und ausgeklügelte DNA-Reparaturmechanismen, was sie anfällig für genotoxische Stimuli, einschließlich oxidativen Stress, macht. Tatsächlich werden während der oxidativen Phosphorylierung in den Mitochondrien um die mtDNA herum große Mengen an reaktiven Sauerstoffspezies (ROS) erzeugt. Eine solche oxidative Umgebung trägt zu einer hohen Anfälligkeit von mtDNA für Mutagenese bei. Tatsächlich besitzt mtDNA unter einer vergleichbaren Umgebung mit oxidativem Stress eine ungefähr 10- bis 200-fach höhere Mutageneserate als Kern-DNA. Dies kann sich nachteilig auf die energieintensiven und postmitotischen Zellen, einschließlich Neuronen und Myozyten, auswirken, die meist empfindlich auf eine veränderte Atmungskettenaktivität und ROS-vermittelte Schäden durch mtDNA-Veränderungen reagieren. Eine solche spezifische Anfälligkeit der mtDNA bestimmt das Vorkommen einer nachweisbaren Menge an mitochondrialen DNA-Fragmenten, die als zirkulierende, zellfreie Fragmente (ccf-mtDNA) in den Blutkreislauf abgegeben werden. Diese entsprechen doppelsträngigen DNA-Molekülen, die biologisch sowohl in kurze (weniger als 1 kb) als auch lange (bis zu 21 kb) Segmente fragmentiert sind. Die hohe Rate der mtDNA-Fragmentierung ist der Schlüssel zur Erzeugung von ccf-mtDNA, obwohl unklar bleibt, ob mtDNA aufgrund einer Störung der Plasmamembran freigesetzt oder aktiv aus der Zelle extrudiert wird. Beispielsweise können oxidativer Stress oder andere Stimuli die Zellintegrität schädigen und Apoptose oder Nekrose hervorrufen, was wiederum zur Extrusion von mtDNA aus der Zelle oder zur Freisetzung ins Blut führt. Nichtsdestotrotz könnten selbst unter Ausgangsbedingungen, wenn die Plasmamembran intakt ist, Fragmente der mutierten mtDNA innerhalb der zytosolischen Organellen kompartimentiert und dann extrazellulär freigesetzt werden. Dieser letztere Mechanismus würde die Erhaltung der mitochondrialen Funktion garantieren, indem er dysfunktionale mutierte DNA-Fragmente entfernt. Dies wird durch neuere Arbeiten von C. elegans-Neuronen unterstützt, die dysfunktionale Mitochondrien ausstoßen, wenn sie neurotoxischem Stress ausgesetzt werden. Dennoch ist die biologische Rolle der ccf-mtDNA und ihrer Fragmente immer noch umstritten und muss vollständig verstanden werden. Tatsächlich können DNA-Fragmente als toxische Moleküle wirken, die wiederum die Mitochondrienfunktion und die Zellmembran beeinträchtigen und auch auf die Zellintegrität und die Gewebereparatur einwirken könnten. Dies hängt weitgehend mit der etablierten, aber zweifachen Beteiligung der mtDNA an der angeborenen Immunität und Entzündung zusammen. Tatsächlich besitzt mtDNA ähnlich wie bakterielle DNA nicht-methylierte CpG-Stellen, die sich, sobald sie entweder im Zytosol oder im extrazellulären Raum freigesetzt werden, als schadensassoziierte molekulare Muster (DAMPs) verhalten, um die angeborene Immunität und Entzündung zu aktivieren. Dies geschieht über spezifische biochemische Kaskaden, die die Bindung von mtDNA an den Toll-like-Rezeptor 9 (TLR9) und die anschließende Aktivierung des Stimulator of Interferon Genes (STING)-Signalwegs umfassen. Diese sind entscheidend für die Erzeugung von Entzündungsreaktionen, einschließlich antimikrobieller Immunität und neuroimmunologischer Störungen. Tatsächlich aktiviert die Akkumulation von DAMPs ansässige Makrophagen und fördert die Gewebeinfiltration durch Leukozyten. Wie bei den meisten Molekülen, die an der Immunantwort beteiligt sind, stammen die meisten Beweise zur Messung von ccf-mtDNA und ihrer Rolle in Physiologie und Krankheit aus Studien, die außerhalb des ZNS durchgeführt wurden. Tatsächlich wurde ccf-mtDNA bei verschiedenen klinischen Zuständen wie Neoplasie, Trauma, Infektionen, Schlaganfall und Herz-Kreislauf-Erkrankungen analysiert, wo sie als diagnostischer und prädiktiver Biomarker getestet wurde. Erst vor kurzem wurde mtDNA bei neurologischen Erkrankungen untersucht. Entsprechend der höheren Resistenz von mtDNA gegenüber Nuklease-abhängigem Abbau im Vergleich zu nDNA persistiert mtDNA als ccf-mtDNA in extrazellulären Flüssigkeiten einschließlich des Liquor.

ZNS-Erkrankungen mit starker Entzündungsreaktion sind durch erhöhte Plasma-mtDNA-Spiegel gekennzeichnet. Tatsächlich treten erhöhte CSF-ccf-mtDNA bei schubförmiger Remission (RRMS) und PMS auf. RRMS ist durch eine akute Entzündungsreaktion gekennzeichnet, die der Neurodegeneration vorausgeht. Somit ist der bei RRMS beobachtete Anstieg der ccf-mtDNA eine direkte Folge der erhöhten Aktivierung von Entzündungszellen. Diese Zellen setzen neben nDNA auch mtDNA in den Liquor frei. Eine anhaltende Entzündungsreaktion kann zirkulierende Immunzellen rekrutieren und gleichzeitig eine systemische Reaktion durch die Aktivierung von mtDNA-induzierten Entzündungswegen auslösen. Auf diese Weise entsteht ein Teufelskreis, in dem entzündliche Zytokine und ROS weitere Schäden an Mitochondrien und mtDNA hervorrufen können. In diesem Szenario kann eine erhöhte ccf-mtDNA-Konzentration bei MS eine frühe, aktive Entzündungsaktivität widerspiegeln, die schließlich zu mitochondrialen Schäden, Nervenverlust und Hirnatrophie führt. In diesem Zustand konfiguriert sich die Messung der ccf-mtDNA-Konzentration als potenzieller Biomarker für akuten entzündlichen Stress. Ob dieses Phänomen spezifisch für MS ist oder eher eine generische Neuroinflammation widerspiegelt, muss noch untersucht werden. Da bei aktiven MS-Läsionen mitochondriale Schäden auftreten, könnte die mtDNA im Liquor ihre Rolle als DAMP widerspiegeln. Die Betrachtung von mtDNA als DAMP bei MS kann die „Inside-out-Theorie“ erklären, die darauf hindeutet, dass die Entzündung sekundär zu einem primären intrinsischen Prozess innerhalb von Neuronen oder anderen Zellen wie Oligodendrozyten ist. Dieses Neuro-Immun-Konzept besteht in der Bildung intrazellulärer Verbindungen, die biochemische Kaskaden auslösen, die zu einer Immunitätsaktivierung (Inflammasom) führen, die nach ihrer Freisetzung aus der Zelle wiederum eine fokale Immunantwort hervorruft. In diesem Szenario wäre das „innere“ mtDNA-Fragment der Entzündungsreiz, der die intrazelluläre Kaskade bündelt, die zu einem molekularen Komplex führt, der die Immunantwort auslöst. Sobald ein solcher Komplex "außerhalb" der Zelle exponiert ist, wird die Immunität stark aktiviert.

Daher könnte ccf-mtDNA ein potenzieller Biomarker für Zelltod und unspezifische Gewebeverletzungen sein und soll in naher Zukunft zu einem innovativen diagnostischen Werkzeug im Frühstadium von Screening und Prognose verschiedener Erkrankungen werden.