Nervcellens överlevnad och utveckling
För att nervsystemet skall utvecklas och fungera normalt krävs närvaro av flera polypeptid-hormon som med ett gemensamt namn kallas neurotrofa faktorer.
Dessa faktorers förmåga att främja neurons överlevnad i nervsystemets under utvecklingen och efter nervskada har lett till ett stort intresse för möjligheten att använda dessa molekyler för behandling vid nervskador och neurodegenerativa sjukdomar. De senaste decenniernas stora forskningsansträngningar har lärt oss mycket om de molekylära grunderna för dessa faktorers funktion och fysiologiska effekter och gör det idag möjligt att rationellt utveckla analoger med specifika farmakologiska egenskaper.
Neurotrofa faktorer styr
Utvecklingen och bevarandet av vertebrata nervsystem kräver närvaro av en rad polypeptider kallade för neurotrofa faktorer. Man har övertygande visat att dessa molekyler styr tillväxt, överlevnad, differentiering samt nybildning av neuron i såväl centrala som perifera nervsystemets (CNS resp. PNS).
I denna stora heterogena grupp av proteiner ingår bland annat neurotrofin-familjen med NGF (nerve growth factor) som den först upptäckta medlemmen, neurokin-familjen med CNTF (ciliary neurotrophic factor) som den mest kända faktorn, samt andra tillväxtfaktorer med neurotrof effekt.
Sökandet efter andra medlemmar ledde nyligen till upptäckten av GDNF (glial cell line-derived neurotrophic factor), ett protein tillhörande TGF-b (transforming growth factor-beta) familjen, som såväl in vitro som in vivo visats främja överlevnad av mecencefala dopaminerga neuron - som ju degenererar vid Parkinsons sjukdom - spinala motorneuron samt olika poulationer av perifera neuron. Under de senaste åren har ett antal kliniska studier inletts för att utröna dessa familjers effekter vid till exempel neuropatier och Alzheimers sjukdom. Framtida möjliga tillämpningar inkluderar Parkinsons sjukdom, amyotrofisk lateral skleros, Huntingtons chorea, akut stroke samt kroniska smärttillstånd.
Unika biologiska effekter
Neurotrofinerna binder till två klasser av receptorer på cellytan, dels ett tyrosinkinas som förmedlar de biologiska effekterna, dels en mindre receptor med ej helt känd funktion. Var och en av neurotrofinerna har specifika, unika biologiska effekter på olika typer av centrala och perifera neuron. Specifiteten beror på att de binder till olika medlemmar av receptor familjen. Molekylerna som är avlånga dimerer, som förenklat kan sägas bestå av tre beta-strängar sammanbundna av hårnålsöglor där huvuddelen av sekvensolikheten är ansamlad.
Tack var den under senare år kraftigt ökade kunskapen om sambanden mellan proteinstruktur och effekt har man kunnat konstruera neurotrofinanaloger med ändrade farmakologiska egenskaper vilka inom en inte alltför avlägsen framtid kan komma att få klinisk användning.
Förhindra celldöd
Det säger sig självt att neurotrofinernas förmåga att förhindra celldöd i och styra utvecklingen i CNS och MPNS gör dem till starka kandidater som värdefulla terapeutiska agens. Men varför ändra strukturen på dem? De här proteinerna har liksom alla polypeptidhormoner utvecklats under årmiljonerna med hjälp av mutationer och selektion vilket anpassat deras biologiska och farmakologiska egenskaper till den roll de spelar i olika vävnader.
Under vissa förhållanden är dock dessa egenskaper ej lämpliga hos läkemedel. Exempelvis har vissa neurotrofiner visats ha en mycket dålig diffusion i hjärnvävnad, troligen pga interaktioner med extracellulärt matrix eller med inaktiva former av receptorer. Även om den begränsade diffusionen kan innebära fysiologiska fördelar lägger det stora hinder i vägen vid eventuell terapi.
Förändringar av kemiska egenskaper hos molekylen kan göras utan att den biologiska effekten påverkas. Neurotrofiner med reducerad bindningsaffinitet till inaktiva receptorformer men med kvarstående aktivitet kan innebära en lösning av problem såsom lokal ansamling och ökad clearance samt möjlighet att sprida molekylen till CNS-regioner långt från administreringsstället. Vidare har det faktum att perifert administrerade neurotrofiner ej passerar blod-hjärnbarriären stimulerat en frenetisk jakt på mindre molekyler med förmåga att aktivera neurotrofiners receptorer eller delar av deras intracellulära signalsystem. Forskning kring sambandet mellan struktur och funktion hos dessa molekyler gör det möjligt att rationellt utforma analoger med specifika egenskaper.
Stora framsteg
Iakttagelsen att överlevnad och funktion av många populationer perifera och centrala neuron är beroende av flera neurotrofiner gör det intressant att kunna använda kombinationer av faktorer som farmaka. Dock kan skillnader i diffusion, stabilitet etc komma att påverka möjligheten att använda dem effektivt. Ett område där stora framsteg gjorts under senare år är konstruktionen av neurotrofinagonister som har aktiviteten hos flera av de naturliga molekylerna.
Dessa syntetiska neurotrofiner med multipel specifitet och effekter på flera olika nervpopulationer skulle kunna innebära en stor terapeutisk fördel eftersom det väsentligen skulle överbrygga de svårigheter som finns då man använder blandningar av molekyler. Även om olika subpopulationer av sensoriska neuron i dorsala rotganglier (DRG), som drabbas vid perifera neuropatier liksom spinala motorneuron som degenererar vid ALS svarar på olika trofiska faktorer, går ju deras axon inom samma perifera nerver. Av detta följer att skadade perifera nerver kräver samtidig närvaro av flera olika neurotrofiner.
Multifunktionell molekyl
En multifunktionell syntetisk molekyl, med variabla regioner från tre olika neurotrofiner, har nyligen visats kunna aktivera och initiera biologiska svar från alla neurotrofinreceptorerna. Studier på receptorspecifika svar framkallade av denna molekyl, kallad pan-neurotrofin-1 (PNT-1) visade att PNT-1 effektivt kunde rädda flera olika embryonala perifera neuronpopulationer, uttryckande olika receptorer, från celldöd. Viktigast av allt var att man kunde visa att PNT-1 transporteras i retrograd riktning till DRG-neuron in vivo efter injektioner i nervus ischiadicus. Radioaktivt inmärkt PNT-1 ansamlades i små, medelstora och stora neuron, vilket innebär att PNT-1 påverkar sensoriska neuron av olika modaliteter vilka normalt svarar på olika neurotrofiner. Resultaten bekräftar att PNT-1 är en multispecifik neurotrof faktor som kan komma till nytta vid behandling av perifera neuropatier och nervskador.
