CDNF and MANF in an experimental model of Parkinson's disease in rats

Abstract

Parkinson s disease (PD) is a neurodegenerative disorder associated with a progressive loss of dopaminergic neurons of the substantia nigra (SN). Current therapies of PD do not stop the progression of the disease and the efficacy of these treatments wanes over time. Neurotrophic factors are naturally occurring proteins promoting the survival and differentiation of neurons and the maintenance of neuronal contacts. Neurotrophic factors are attractive candidates for neuroprotective or even neurorestorative treatment of PD. Thus, searching for and characterizing trophic factors are highly important approaches to degenerative diseases.

CDNF (cerebral dopamine neurotrophic factor) and MANF (mesencephalic astrocyte-derived neurotrophic factor) are secreted proteins that constitute a novel, evolutionarily conserved neurotrophic factor family expressed in vertebrates and invertebrates. The present study investigated the neuroprotective and restorative effects of human CDNF and MANF in rats with unilateral partial lesion of dopamine neurons by 6-hydroxydopamine (6-OHDA) using both behavioral (amphetamine-induced rotation) and immunohistochemical analyses. We also investigated the distribution and transportation profiles of intrastriatally injected CDNF and MANF in rats.

Intrastriatal CDNF and MANF protected nigrostriatal dopaminergic neurons when administered six hours before or four weeks after the neurotoxin 6-OHDA. More importantly, the function of the lesioned nigrostriatal dopaminergic system was partially restored even when the neurotrophic factors were administered four weeks after 6-OHDA. A 14-day continuous infusion of CDNF but not of MANF restored the function of the midbrain neural circuits controlling movement when initiated two weeks after unilateral injection of 6-OHDA. Continuous infusion of CDNF also protected dopaminergic TH-positive cell bodies from toxin-induced degeneration in the substantia nigra pars compacta (SNpc) and fibers in the striatum. When injected into the striatum, CDNF and GDNF had similar transportation profiles from the striatum to the SNpc; thus CDNF may act via the same nerve tracts as GDNF. Intrastriatal MANF was transported to cortical areas which may reflect a mechanism of neurorestorative action that is different from that of CDNF and GDNF. CDNF and MANF were also shown to distribute more readily than GDNF.

In conclusion, CDNF and MANF are potential therapeutic proteins for the treatment of PD.

Parkinsonin tauti on etenevä aivojen rappeumasairaus, jonka oireita ovat liikkeiden hitaus, lepovapina, lihasjäykkyys ja tasapainovaikeudet. Oireet johtuvat keskiaivojen mustatumakkeen (substantia nigra) dopamiinia tuottavien hermosolujen vähitellen etenevästä solutuhosta. Taudin hoidossa käytettävät lääkkeet ovat oireita lievittäviä eivätkä ne estä dopamiinihermosolujen asteittaista tuhoa. Hermokasvutekijät ovat solun erittämiä proteiineja, jotka edistävät hermosolujen eloonjäämistä, kontaktien muodostumista ja säätelevät hermosolujen toimintaa. Viime vuosina mielenkiinto on kohdistunut hermokasvutekijöihin, joiden avulla Parkinsonin taudin kulkua voitaisiin hidastaa ja jopa elvyttää vaurioituneiden solujen toimintaa. Gliasolulinjaperäinen hermokasvutekijä (GDNF) on yksi lupaava hermokasvutekijä, jonka on todettu parantavan Parkinson-potilaiden tilaa merkittävästi. Haittavaikutusten takia kliiniset kokeet on kuitenkin keskeytetty. Onkin tärkeää etsiä uusia hermokasvutekijöitä, jotka voisivat hidastaa tai estää dopamiinihermojen tuhoutumista, mutta eivät aiheuttaisi haittavaikutuksia.

Hermokasvutekijät CDNF (cerebral dopamine neurotrophic factor, dopamiinisolujen hermokasvutekijä) ja MANF (mesenkefaalinen astrosyyttiperäinen hermokasvutekijä) ovat läheistä sukua keskenään ja kuuluvat evoluutiossa varhain syntyneeseen CDNF/MANF-proteiiniperheeseen. Kyseessä on ensimmäinen hermokasvutekijäperhe, jolla on sukulaiskasvutekijä myös selkärangattomissa.

Tässä työssä tutkimme CDNF:n ja MANF:n tehokkuutta kokeellisessa Parkinsonin taudin mallissa rotilla. Rotille aiheutettiin Parkinsonin taudille ominainen hermovaurio ruiskuttamalla 6-hydroksidopamiini (6-OHDA)-toksiinia aivojuovioon (striatum) toiseen aivopuoliskoon, jolloin dopamiinihermot tuhoutuvat hitaasti muutamien viikkojen ja kuukausien aikana. Samalla kehittyy toispuolinen liikehäiriö, joka ilmenee, kun rotille annetaan dopamiiniaktiivisuutta lisäävää lääkettä.

Tutkimuksessa osoitimme CDNF:n ja MANF:n suojaavan dopamiinihermosoluja, sillä solujen tuhoutuminen ja siitä aiheutuva liikehäiriö estyivät lähes kokonaan, kun CDNF:ää tai MANF:ia injisoitiin rotan aivoihin ennen toksiinia. Toisessa koesarjassa CDNF tai MANF injisoitiin aivoihin neljä viikkoa toksiinivaurion jälkeen, ja ne korjasivat dopamiinihermosolujen toimintaa ja rottien liikehäiriötä. Jälkimmäinen koeasetelma muistuttaa tilannetta Parkinson-potilailla, kun jo olemassa olevaa vauriota pyritään korjaamaan lääkehoidolla.

Lisäksi selvitimme kroonisen CDNF- ja MANF-infuusion vaikutuksia Parkinsonin taudin rottamallissa kokeessa, jossa hermokasvutekijöitä annosteltiin aivoihin osmoottisten minipumppujen avulla kahden viikon ajan kaksi viikkoa toksiinivaurion jälkeen. Näissä kokeissa CDNF edisti dopamiinihermosolujen toipumista 6-OHDA:n aiheuttamasta vauriosta sekä korjasi liikehäiriötä.

Osoitimme myös, että CDNF ja MANF leviävät rotan aivokudokseen hyvin sekä kerta- että kroonisen annostelun jälkeen. Hermokasvutekijöiden tehokas leviäminen aivokudokseen on tärkeää, jotta yhdisteistä on hyötyä aivorappeumatautien hoidossa.

Tutkimuksen perusteella CDNF:stä ja mahdollisesti myös MANF:sta saattaa olla mahdollista kehittää uudentyyppinen Parkinsonin taudin hoito, joka suojaa dopamiinihermosoluja ja estää niiden rappeutumisen.