IGF og andre nevrotrofiske faktorer hos pasienter med demens

Innledning Demens Den estimerte prevalensen av demens i Danmark er 85 000 (2011) og den globale prevalensen er nær 36 millioner (2010). Videre er tallet spådd å dobles i løpet av de neste 20 årene, først og fremst på grunn av den demografiske aldring. Kostnadene ved demens utgjør 1 % av verdens BNP – et perspektiv som vil utfordre dagens helsevesen og nasjonale økonomier (1,2,3).

Demens inkluderer en rekke progressive degenerative hjernesykdommer. Demens er preget av progressiv forverring i kognisjon, funksjon og atferd som er tilstrekkelig alvorlig til å kompromittere sosial og yrkesmessig funksjon. Demens er preget av tap av episodisk hukommelse, vanskeligheter med å navngi og finne ord, apraksi, eksekutiv dysfunksjon og endringer i personlighet og humør. Den vanligste årsaken til demens er Alzheimers sykdom (4, 5, 6).

Patogenesen til Alzheimers demens forblir unnvikende. I mange år har det patofysiologiske kjennetegnet ved Alzheimers demens vært toksisiteten forårsaket av akkumulering av proteinene amyloid-beta i plakk og fosforylert tau assosiert med nevrofibrillære floker. Imidlertid er denne teorien basert på den genetiske "early-debut familial Alzheimers", som er en sjeldnere arvelig type. Foreløpig er hypotesene om patogenesen til Alzheimer faktisk uenige med amyloid-beta-teorien. Det er derfor behov for å øke vår forståelse av mekanismene som fører til de vanligste formene for Alzheimers sykdom. En bedre forståelse av sykdommen kan muliggjøre en tidligere diagnose og viktigere, en årsaksbehandling av Alzheimer i motsetning til de bare symptomatiske alternativene som er tilgjengelige i dag (4, 7, 8, 9).

IGF-system Et av hovedområdene i nyere forskning på demens er rollen til nevrotrofisk støtte, et forskningsområde som omfatter insulin og det insulinlignende vekstfaktorsystemet. Insulin og IGF-systemet er viktige for normal somatisk vekst, utvikling, vevsreparasjon og regenerering gjennom hele livet. Tidligere studier har indikert at svekkelser i cerebral glukoseutnyttelse og energimetabolisme representerer svært tidlige abnormiteter som går foran eller følger med de innledende stadiene av kognitiv svekkelse. Type 2-diabetes, som ofte er preget av insulinresistens, har imidlertid ikke blitt etablert som en årsak til Alzheimer, selv om det er en sammenheng mellom insulinresistens og kognitiv dysfunksjon.

De cellulære signalveiene til IGF-I og IGF-II overlapper i stor grad med veiene som brukes av insulin, og alle tre proteinene binder seg til de samme reseptorene, men med forskjellige affiniteter. Flere studier har vist at forholdet mellom konsentrasjonene av IGF-I i cerebrospinalvæske (CSF) og plasma (CSF/plasma-forholdet) er redusert hos Alzheimerpasienter. Interessant nok ser det ut til at IGF-I fremmer amyloid-beta-clearance.

IGF-II har blitt mindre studert, men det kommer til uttrykk i hjernen både under utvikling og i voksen alder og avtar med aldring. I hjernen er den relative konsentrasjonen høyest i hippocampus. (10-14). Videre har gruppen vår nye data som indikerer at i CSF er IGF-II den viktigste vekstfaktoren når det gjelder aktivering av IGF-I-reseptoren (Mia-Maiken Kallestrup et al., manuskript under forberedelse).

Minne Minne er et spørsmål om konsolidering der nylært labil informasjon blir sterkere og motstandsdyktig mot forstyrrelser. Denne prosessen avhenger av de novo RNA og proteinsyntese og funksjonen til cAMP respons element binding protein (CREB) og CCAAT enhancer binding protein (C/EBP), som begge er transkripsjonsfaktorer. Tidligere studier har vist at det er et bindingssted for C/EBP i promotorregionen til IGF-II-genet i lever og annet vev (10).

IGF-II og hukommelse For å løse gåten med demens er det viktig å forklare tidlige endringer i biomarkører i tidlige stadier av demens og dermed muligens avsløre patogenesen og mulige behandlinger. Et eksperiment med rotter og hukommelse kan allerede ha tatt det første skrittet mot dette. Det har blitt demonstrert at administrering av IGF-II til rotter betydelig forbedrer hukommelsesbevaring og forhindrer glemsel. Videre fører hemmende unngåelseslæring (et paradigme der subjektet lærer å assosiere en bestemt kontekst med forekomsten) til en økning i hippocampus-uttrykket av IGF-II. Til slutt, men viktigst, injeksjoner av rekombinant IGF-II i hippocampus etter trening eller minneinnhenting forbedrer hukommelsesbevaring betydelig og forhindrer glemsel (10).

Nevrotrofiske vekstfaktorer:

Den menneskelige voksne hjernen er i stand til å generere nye nevroner selv om den har begrenset kapasitet. Muligens er denne kapasiteten avhengig av tilstrekkelige nevrotrofe vekstfaktorer. De nevrotrofiske faktorene inkluderer nervevekstfaktor (NGF) og hjerneavledet nevrotrofisk faktor (BDNF).

BDNF er viktig for nevronal overlevelse, synaptisk plastisitet og hukommelse, som sammen med tendensen til økte nivåer av BDNF i tidlige stadier av Alzheimers indikerer en sammenheng. Økningen av BDNF i tidlige stadier av Alzheimers kan være en refleksjon av kompensasjon for nevrodegenerasjonen. Under utviklingen av Alzheimers synker nivået av BDNF til et nivå for friske eldre mennesker.

NGF induserer vekst av nevroner og opprettholder nevronproliferasjon som samhandler med andre vekstfaktorer. Nivåer av NGF i serum, CSF eller hjerne ser ikke ut til å skille seg fra Alzheimers-pasienter til normale eldre pasienter, men ser ut til å variere mellom ulike hjerneregioner. Til slutt korrelerer ekspresjonsmønsteret til BDNF og NGF sterkt med amyloidkonsentrasjon (15).

Cluster of differentiation 163(CD-163) CD-163 er en scavenger-reseptor som gjenkjenner og tar opp makromolekyler for hemoglobin-haptoglobin-komplekset og dets nivåer som en indikasjon på monocytt-makrofag-aktivering. Den løselige formen av reseptoren kalles sCD163 og finnes i plasma. Plasma-sCD163-nivåer er oppregulert i en lang rekke inflammatoriske sykdommer (16).

Hypotese Pasienter med demens har en deregulert konsentrasjon og/eller aktivitet av IGF-I, IGF-II, NGF, BDNF og sCD-163 i cerebrospinalvæske.

Formål Å definere konsentrasjonen og biologisk aktivitet av IGF-I, IGF-II, BDNF, NGF og sCD-163 i cerebrospinalvæsken og serum hos pasienter med Alzheimers sammenlignet med kontroller (pasienter med uspesifiserte nevrologiske symptomer eller sykdom).

Metode Studiepopulasjon Alle deltakende pasienter må være over 18 år. De er ekskludert fra studien ved akutt bakteriell nevroinfeksjon og akutt blødning Studiepopulasjonen i dette prosjektet vil inkludere alle pasienter med etablert eller mistenkt demens, som skal gjennomgå en lumbalpunktur ved Nevrologisk avdeling ved Aarhus Universitetssykehus som en del av deres diagnostiske arbeid.

Kontroller inkluderer pasienter med uspesifiserte nevrologiske symptomer eller sykdommer som vil gjennomgå en lumbalpunksjon ved nevrologisk avdeling ved Aarhus Universitetssykehus som en del av deres diagnostiske opparbeidelse, uavhengig av denne studien.

Pasientene vil få informasjon om forskningsprosjektet og vil bli bedt om å gi sitt innhold til deltakelse. Deltakelsen innebærer ekstraksjon av 2-3 ml ekstra spinalvæske og en ekstra blodprøve (10 ml), som skal brukes til analyse av IGF-systemkomponenter og nevrotrofiske faktorer. Deltakerne vil ikke motta noen form for betaling, men kan få kompensasjon for transport.

Vi vil til enhver tid under diagnosearbeidet og følgelig i forskningsprosjektet ta hensyn til pasientens psykiske og fysiske tilstand. Forskningsprosjektet skal gjennomføres etter lov om behandling av personopplysninger.

Ved Nevrologisk avdeling ved Aarhus Universitetssykehus bruker Demensklinikken lumbalpunksjon som diagnostisk verktøy hos cirka tre pasienter per uke. Det er anslått at ca 1/3 til 1/2 av disse pasientene vil ende opp med diagnosen Alzheimer og disse pasientene vil til slutt bli inkludert i prosjektet i løpet av en periode på 36-40 uker. Samlet i løpet av studieperioden vil dette muliggjøre inkludering av 50-60 pasienter.

Analyse Spinalvæsken og serumet vil bli analysert ved Medisinsk forskningslaboratorium. Spinalvæsken og blodprøvene vil bli deponert i en forskningsbiobank ved Aarhus Universitetssykehus. Planen er å gjennomføre alle de biokjemiske analysene samtidig når alle prøver er samlet inn. Ved kjent kunnskap på området har vi til hensikt å deponere prøvene i 5 år etter dette prosjektet. Dersom prøvene skal brukes til et annet prosjekt, vil Statens forskningsetiske komité for helse og datatilsynet kreve søknad på nytt.

De immunologiske konsentrasjonene av IGF-I og IGF-II måles ved validerte interne analyser. Videre har Aarhus Universitetssykehus en unik teknikk, der det er mulig å måle bioaktiviteten til IGF-I og -II i cerebrospinalvæsken. Teknikken er basert på en cellebasert intern bioassay utviklet i 2003. Denne metoden tar hensyn til at en stor del av IGF-I og IGF-II er bundet til proteiner og dermed anses som biologisk inaktiv. Bioanalysen er i stand til å måle evnen til både serum og cerebrospinalvæske til å stimulere IGF-IR in vitro som gjør metoden mye mer spesifikk. Pilotundersøkelser fra vår gruppe har vist at det er mulig å måle den biologiske IGF-IR-aktiviteten i cerebrospinalvæske. Det er bevist at:

i) Den biologiske IGF in vitro-aktiviteten til cerebrospinalvæske kommer primært fra IGF-II ii) Den biologiske aktiviteten er langt høyere enn forventet sammenlignet med enkle mål for konsentrasjon på grunn av de lave konsentrasjonene av IGF-bindende proteiner.

De immunologiske konsentrasjonene av IGF-bindende proteiner vil bli målt ved kommersielle eller egenutviklede immunanalyser og ligandblotting-teknikker.

Konsentrasjonene av NGF, BDNF og sCD-163 i spinalvæske og serum vil bli analysert med allerede etablerte teknikker og spinalvæsken vil bli undersøkt med spektrometri.

Klinisk undersøkelse Den kliniske undersøkelsen vil bli utført som en naturlig del av undersøkelsen av demens. Dette inkluderer sykehistorie og en objektiv undersøkelse, CT-skanning og kognitive tester inkludert MMSE (mini-mental tilstandsundersøkelse) og ACE (Adenbrookes kognitive undersøkelse). I tvilstilfeller vil en mer utvidet undersøkelse bli utført av nevrofysiolog. Informasjon fra den kliniske undersøkelsen i form av journal vil bli brukt til å vurdere muligheten for demens som diagnose inkludert sykdomsforløpet og dermed for å vurdere mulige deregulerte konsentrasjoner og/eller aktiviteter av IGF-I, IGF-II, NGF, BDNF og sCD-163 i cerebrospinalvæske.

Kraft Bioaktiviteten til IGF i cerebrospinalvæske hos pasienter med demens har ikke tidligere blitt fastslått. Pilotdata indikerer at bioaktivitet fra IGF-II hos friske mennesker (n= 9) er 57 ± 13 ng/ml (gjennomsnitt ± SD). Hvis forskjellen i en pasientgruppe er satt til 26ng/ml (̴ 2 x SD), gir inkludering av 10 personer per gruppe prosjektet en kraft på 90 % ved bruk av ANOVA og et signifikant nivå på 5 %. Det er derfor valgt å inkludere 15 pasienter i prosjektet.

Statistikk Programmet ANOVA vil bli brukt til statistiske analyser. Parametriske eller ikke-parametriske tester vil bli brukt avhengig av normalfordelingen av data. I all statistisk analyse vil et signifikansnivå på 5 % bli brukt.

Perspektiv Som tidligere nevnt utgjør kostnadene ved demens allerede 1 % av verdens BNP, og prevalensen av demens forventes å dobles i løpet av de neste tjue årene. Sykdommens progressive karakter gjør at anslagsvis 43 % av tilfellene med demens trenger et høyt omsorgsnivå (tilsvarer et sykehjem). Derfor er det åpenbart at forebygging, forsinket debut, bremset progresjon og potensiell helbredelse er avgjørende faktorer for ikke bare pasienters og pårørendes velvære, men også for økonomien i helsevesenet. (2,17) Dette forskningsprosjektet er basert på den nyere teorien om demens som en sykdom i IGF-systemet, men i motsetning til andre studier er vi i stand til å måle konsentrasjoner så vel som bioaktivitet. Dette vil potensielt åpne for ytterligere kunnskap om dynamikken i demens og dermed potensielt avdekke ytterligere forståelse av patogenesen og medisinske mål for demens.

Etiske hensyn Etiske hensyn generelt Testene som er utført på pasientene som er involvert i dette forskningsprosjektet er lumbalpunksjon og blodprøver. Begge disse testene vil bli utført som en del av den diagnostiske opparbeidingen uavhengig av denne studien.

Det innebærer en viss risiko å utføre en lumbalpunksjon, som inkluderer hodepine etter lumbalpunksjon med en forekomst på 12 %, men er mest vanlig hos yngre pasienter. Oftest har hodepinen kort varighet, og den kan kureres med påføring av et blodplaster. Bruk av nål til lumbalpunksjonen kan gi midlertidige lumbale smerter og en opphopning Etiske hensyn for pasienter med demens Den aktuelle pasientgruppen forårsaker en utvidet etisk vurdering. Som nevnt tidligere forårsaker symptomene på demens hukommelsestap, vanskeligheter med å finne de riktige ordene og forstå hva folk sier. Som sådan er det tvilsomt om pasientene er i stand til å ta en selvstendig beslutning om å delta i prosjektet (6).

Alle demenspasientene vil få utført alle testene som en del av standarddiagnosearbeidet for demens. Derfor introduserer ikke denne studien noen ytterligere undersøkelse som forsvarer det etiske aspektet ved denne studien. I betraktning av den lave risikoen som er involvert i dette prosjektet, de milde demensformene og den høye prevalensen og alvorlighetsgraden av sykdommen, vurderer vi dette prosjektet til å være etisk akseptabelt. Videre er det av stor betydning å undersøke patogenesen og mulige mål for demens.

Mål Positive, negative så vel som inkonklusive resultater fra denne studien vil bli publisert. Resultatene vil være grunnlaget for en forskningsårsrapport og en artikkel for publisering i et engelsk skrevet fagfellevurdert tidsskrift.