Die Bedeutung des Phosphoinositol-Zyklus bei Alzheimer

Projektdetails:

Thematik: Grundlagenforschung
Förderstatus: abgeschlossen
Art der Förderung: Standard Projekt
Institution: Klinikum der Johann Wolfgang Goethe Universität Frankfurt
Projektleiter: Dr. Ulrich Pilatus
Laufzeit: 01. November 2001 - 31. Oktober 2003
Fördersumme: 72.533,00 Euro

Projektbeschreibung

Die Pathogenese der sporadisch auftretenden Alzheimer-Krankheit ist noch nicht aufgeklärt, es scheint jedoch sicher, dass oxidativer Stress dabei eine wichtige Rolle spielt. Es gibt Hinweise auf eine gesteigerte Aktivität des geschädigten Abwehrmechanismus gegen freie Sauerstoffradikale bei Alzheimer, jedoch weniger ausgeprägt als bei Parkinson. Primäre und sekundäre Faktoren interagieren miteinander und können eine Kaskade von neurodegenerativen Ereignissen auslösen. Beim Alzheimer-Gehirn kann eine Zunahme des oxidativen Stress gekoppelt sein mit einer siknifikanten Störung  der Phosphoinositid-vermittelten Signalübertragung und lokal einer selektiv gestörten Funktion des mit der Phosphoinositid-vermittelten Signalübertragung in Zusammenhang stehenden G-Proteins.

Das Phosphoinositid-Signaltransduktionssystem ist eines der wichtigsten Mittel der inter­zellulären Kommunikation im zentralen Nervensystem; dieses System wurde jedoch erst vor kurzem im menschlichen Gehirn erforscht. Die Phosphoinositid-Signalübertragung konnte zwar in einigen Fällen an Biopsiematerial aus menschlichen Gehirnen studiert werden, aber da dieses selten zur Verfügung steht, wurde die Mehrzahl der Studien an postmortal ent­nommenen menschlichen Gehirnmembranen durchgeführt. Forscher konnten in verschie­denen Experimenten mit den postmortal entnommenen Membranen nachweisen, dass alle Bestandteile des Phosphoinositidsystems in den menschlichen Gehirnmembranen erhalten bleiben und auf die entsprechenden Reize reagieren.

Die MR-Spektroskopie basiert auf den Wechselwirkungen der Atomkerne eines Moleküls mit dem umgebenden Magnetfeld. In der Chemie und Physik wurde die MR-Spektroskopie als Teilbereich der Magnetresonanz-Techniken für die Identifikation von chemischen Substanzen sowie für die Untersuchung von intra- und intermolekularen Wechselwirkungen genutzt. Mit modernen MR-Tomographen, die in der Radiologie zur Schnittbildgebung verwendet werden, kann diese Methode mit Einschränkungen auch nicht-invasiv an lebenden Gewebe durchgeführt werden (in vivo Protonen MR-Spektroskopie (1H MRS)). Hierdurch bietet sich eine einzigartige Möglichkeit ohne Nebeneffekte den Stoffwechsel zu untersuchen. Bei in vivo durchgeführten 1H MRS Studien an Alzheimer-Patienten wurde eine Veränderung des Inositolmetabolismus ermittelt. Da eine Veränderung des Inositolmetabolismus sich ungünstig auf die Phosphoinositid-Aufspaltung und damit auf das Phosphoinositid-Signaltransduktionssystem auswirken kann, wurde hier möglicherweise ein entsprechender Pathomechanismus von Alzheimer aufgedeckt.

Dr. Pilatus will das Phosphoinositid-Signaltransduktionssystem bei Alzheimer untersuchen. Da bei der 1H MRS in vivo nicht genau zwischen den an der Signalübertragung beteiligten Phosphoinositiden unterschieden werden kann, sollen zunächst in vitro Untersuchungen an post mortem entnommenen Hirngewebeproben von Alzheimer-Patienten und Kontrollpersonen durchgeführt werden. Dabei sollen die in der biochemischen Analytik üblichen Methoden der hochauflösenden 1H und 31P MRS verwendet werden. Diese Methoden liefern ein Maximum an Information über die in vitro Proben, wobei die an der Signaltransduktion beteiligten Phosphoinositide im Zellplasma, aber auch in der Zellmembran untersucht werden können.

Die genaue Bestimmung einer möglichen Änderung dieser Stoffwechselsystems ist auch richtungweisend für die Arzneimittelforschung.

Abschlussbericht

The initially proposed hypothesis could not be addressed, since:

1. Considerable data scattering due to post mortem metabolic changes and inter subject variability.

2. Poor signal to noise ratio in 31P magnetic resonance spectroscopy (MRS) requires long (> 6 h) data acquisition times. With limited access to the instrument, the required number of experiments could not be performed in a reasonable time. Furthermore, sample degradation during this period could also affect results.

To obtain more reliable data we continued with extracts from mouse brain comparing control mice to mice with a genetic defect that mimics Alzheimer's disease. We were able to reproduce most of the human post mortem findings with remarkable significance confirming specific changes in cell membrane metabolism which indicate increased membrane degradation in AD. Unfortunately, the two metabolites, choline (Cho) and glycerophophoclroline (GPC), which show the most remarkable changes, cannot be resolved using the widely available method of in vivo 1H magnetic resonance spectroscopy, thus, no signal change which could be a marker of AD can be detected in vivo. Increase of another metabolite (myo-Inosito) in AD, which has been suggested as potential in vivo marker, was not confirmed with the mouse model, but the discrepancy may be related to the nonselective choice of brain tissue in this study. Decrease in PC and a study is available at the Brian Imaging Center Frankfurt and respective pilot experiments will be commenced soon.

With the mouse model, a system is now available which should enable to perform the initially proposed study under well defined conditions; hence, a practicable number of samples should be sufficient. Yet, the rather small sample size hampers preparation of lipid and water soluble extracts from one specimen. We are currently investigating methods using administration of 13C enriched substrates to obtain even more specific information on lipid and energy metabolism.


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