W ORLD E XPLORER     

Rubriek : Ziekten en aandoeningen overzicht

Alzheimer

De verschillende vormen van seniele dementie zijn, na hart- en vaatziekten en kanker, de voornaamste doodsoorzaak in onze westerse maatschappij. Door de blijvende stijging van de levensverwachting, mede door verbeterde opsporing en behandeling van voornoemde aandoeningen, zal dementie proportioneel een steeds belangrijker sociaal en medisch probleem worden. Bovendien is dit een extra moeilijk probleem omwille van het specifieke ziekteverloop van dementie - letterlijk verontmenselijken - hetgeen een zeer zware weerslag heeft op de directe naastbestaanden die de pati�nt goed gekend hebben. In de leeftijdsgroepen boven 65 wordt verwacht dat 10 tot 25% (stijgend met de leeftijd) van de ouderen aan ��n of andere vorm van dementie zullen lijden, hetgeen voor Belgi� in de tweede decade van de volgende eeuw meer dan 250.000 pati�nten zal vertegenwoordigen.
Er zijn verschillende types van seniele dementie, maar minstens 2 op 3 gevallen zijn toe te schrijven aan de ziekte van Alzheimer of Alzheimer�s Dementie (AD), hetgeen ook verklaart waarom het wetenschappelijk onderzoek zich vooral op deze vorm toespitst. In de meeste gevallen is er voor AD een genetische voorbeschiktheid aanwezig in de familie, terwijl er ook een klein aantal echte genetische vormen gekend zijn, die dominant, dus op een echte mendeliaanse wijze overge�rfd worden. Samen hebben de genetische onderzoeken de zeer belangrijke aanknopingspunten opgeleverd, die noodzakelijk zijn om de moleculaire oorzaken van AD te achterhalen en aldus, op langere termijn, preventief of curatief te kunnen gaan ingrijpen. In dit korte bestek willen wij nader ingaan op de huidige stand van genetische kennis van de ziekte van Alzheimer en kort belichten op welke wijze het fundamenteel wetenschappelijk onderzoek daarop inspeelt.

1. Historiek van de ziekte van Alzheimer
In 1907 schreef Alois Alzheimer, toen psychiater in M�nchen, een artikel onder de titel: Uber eine eigenartige Erkrankung der Hirnrinde. De pati�nte was een 51-jarige vrouw die specifieke gedragsveranderingen vertoonde, met geheugenstoornissen en hallucinaties. Ze verloor progressief haar geheugen, werd apathisch en bedlegerig, om tenslotte volledig hulpeloos en incontinent te overlijden na 5 jaar ziekte. Alhoewel dergelijke pati�nten ook daarvoor al gekend waren, was de belangrijke bijdrage van Alzheimer dat hij de hersenen van de pati�nte onderzocht. Dit post-mortem onderzoek toonde de eigenaardige structuren waarnaar de titel van het artikel verwees: een verregaande macroscopische verschrompeling of atrofie van de hersenen en microscopische veranderingen die pas zichtbaar werden door een specifieke kleuringstechniek, zilverkleuring volgens Bielschowsky, die nu nog gebruikt wordt. Veel neuronen bleken als cel verdwenen en vervangen door afzettingen, kluwens van fibrillen, die ook intracellulair, binnenin een derde tot een kwart van de nog aanwezige neuronen, zichtbaar werden. In de hersenschors of cortex hadden zich ontelbare foci van afzettingen van een ander type gevormd, eerder amorf, zonder duidelijke structuur, die amylo�de plakken genoemd worden. Alzheimer beschreef dergelijke afzettingen ook in de vaatwand van kleine hersenbloedvaten in deze pati�nte en merkte tussen de neuronen grotere aantallen glia-cellen (steuncellen) op, die er met veel uitlopers en vetopstapeling, niet normaal uitzagen.

2. Klinische symptomen en diagnose
De microscopisch-pathologische afwijkingen in de hersenen beschreven door Alois Alzheimer, blijven ook vandaag nog de typische kenmerken van AD. Ze zijn de basis voor de definitieve, post-mortem diagnose van AD: neurofibrillaire kluwens of tangles (NFT), extracellulaire, amylo�de plakken en amylo�de neerslagen in de vaatwanden, over-reactie van glia-cellen (gliosis) en massale neuronale atrofie. Deze neurodegeneratie moet de wezenlijke oorzaak zijn van het verlies van de vitale functies en van de menselijke trekken zoals geheugen, spraak en gedrag. De precieze mechanismen die deze neuronale celdood veroorzaken, zijn echter onbekend en vormen de grote doelwitten van het fundamenteel onderzoek naar AD.
Het is ons nu duidelijk dat de pati�nte die Alois Alzheimer beschreef, leed aan een zogenaamde pre-seniele vorm van AD, met een begin van aanzet v��r de leeftijd van 65. M��r dan 90% van de AD-pati�nten vertonen echter een seniele vorm van AD, die gedefinieerd wordt doordat het begin van aanzet van klinische symptomen zich situeert na de leeftijd van 65. Deze klinische symptomen zijn variabel, maar beginnen meestal met subtiele veranderingen in het korte-termijn-geheugen dat progressief slechter wordt of/en met problemen met spreektaal, ruimtelijke ori�ntatie en gedrag. De progressieve aftakeling duurt gemiddeld 10 jaar, maar kan ook slechts 5 of tot 20 jaar in beslag nemen.
De heterogeniteit in het verlies van lichaamsfuncties en cognitieve mogelijkheden kan sterk verschillen, hetgeen de klinische diagnose uiteraard sterk bemoeilijkt. Deze diagnose is nog steeds een uitsluitingsdiagnose, m.a.w. er bestaat geen ��nduidige klinische, genetische of biochemische test om AD op te sporen of aan te tonen: slechts een combinatie van neurologisch onderzoek en neuropsychologische testen, eventueel samen met een hersen-scan, en vooral uitsluiting van enige andere ziekte, laat toe met enige zekerheid (m��r dan 80%) de diagnose van AD te stellen. Deze diagnose wordt echter pas definitief door microscopisch, post-mortem onderzoek van de hersenen, in essentie hetzelfde onderzoek gebruikt door Alzheimer in het begin van deze eeuw.

3. Genetische studies in AD
Voor alle duidelijkheid moet gesteld worden dat in het geheel van alle AD-pati�nten verschillende genetische mechanismen of entiteiten moeten onderscheiden worden waarbij minstens even belangrijk is dat zowel het uiteindelijk klinisch beeld als de moleculaire diagnostische parameters, voor alle AD gevallen dezelfde of tenminste zeer vergelijkbaar zijn. Omwille van deze convergentie, waarbij vanuit verschillende oorzaken hetzelfde ziektebeeld ontstaat, is het belangrijk van elk het mechanisme te leren kennen.
3.1. Vroege of familiale vormen van AD (pre-seniel) worden mendeliaans, autosomaal dominant overge�rfd en worden veroorzaakt door mutaties in het APP-gen op chromosoom 21 (1% van alle AD gevallen) of in de preseniline-genen, PS-1 en PS-2, gelegen op chromosoom 14 en 1 respectievelijk (samen 5% van alle AD gevallen). Deze vroege of pre-seniele vormen van AD zijn de meest agressieve, met een begin van aanzet die zich gemiddeld situeert tussen 35 en 55 jaar, doch die in enkele AD-gevallen slechts 25 jaar bedroeg. Het verloop van het ziekteproces is ook korter en de pati�nten overleven de eerste symptomen slechts 7 jaar of minder. Allen samen zijn deze familiale gevallen gelukkig vrij zeldzaam. Vanuit wetenschappelijk standpunt zijn ze uitermate belangrijk omdat ze toelaten die genen en mutaties te identificeren die precies de noodzakelijke moleculaire aanknopingspunten hebben opgeleverd om fundamenteel onderzoek naar de ontstaansmechanismen van de neurodegeneratie in AD aan te vatten.
3.2. Late of sporadische vormen van AD kunnen feitelijk opgedeeld worden in twee groepen: enerzijds met een duidelijke doch in-directe genetische componente, met name het ApoE gen op chromosoom 19 en anderzijds de toevallige of sporadische vormen van AD, waarin geen oorzakelijke genen bekend zijn. In de eerste groep is de genetische ApoE4 variant van het ApoE-gen sterk oververtegenwoordigd: in de volledige bevolking is de gen-frequentie van het ApoE4 gen slechts 15%, terwijl in de groep AD-pati�nten de frequentie tussen 45 en 55% ligt (afhankelijk van de studie). Deze totaal onverwachte epidemiologische vinding heeft tot nog toe geen mechanistische onderbouw, vooral niet door het feit dat het ApoE4 gen geen directe oorzaak is maar een (de) belangrijk(st)e risicofactor. In concreto betekent dit dat mensen die geen drager zijn van het ApoE4 gen (dus ApoE3 of ApoE2 hebben) toch AD kunnen krijgen, terwijl dragers van 1 of 2 ApoE4 genen (allelen) niet pers� de ziekte hoeven te krijgen. Hun risico is wel respectievelijk 4 en 10 maal hoger dan dragers van een ander ApoE isotype (ApoE3 en ApoE2, met gen-frequenties van 77 en 8%, respectievelijk in de ganse bevolking).
Alhoewel in deze gevallen wel een zeker familiaal verband bestaat, met meerdere AD-pati�nten in de familie, in dezelfde of in opeenvolgende generaties, is er geen strikt herkenbaar mendeliaans overervingspatroon. Naast ApoE4, moeten dus nog ��n of meerdere andere genen betrokken zijn die onafhankelijk van het ApoE gen overge�rfd worden en die pas in sommige combinaties aanleiding geven tot AD. Het is best mogelijk dat deze genen verschillend zijn in verschillende families en zelfs in verschillende pati�nten, terwijl bovendien een verschillende invloed van omgevingsfactoren in rekening gebracht moet worden. Uiteindelijk blijkt deze vorm van AD dus een multi-genetisch of multi-factorieel probleem te zijn.
In de strikt sporadische vormen van AD, die samen tot 40% van alle gevallen uitmaken (afhankelijk van de studie, van de etnische of raciale groep, van de diagnostische on-zekerheid,...), is noch een familiaal verband noch een ApoE4-gen effect herkenbaar. Hier wordt aan een combinatie van een groot aantal genen gedacht, aan spontane mutaties en aan omgevingsfactoren. Hierbij moet echter ook een verscheiden aantal secundaire mogelijkheden en moeilijkheden onderkend worden, die kunnen gaan van problemen met diagnose stelling, waarbij de dementie niet herkend werd als AD, over sociale problemen tot de mogelijkheid dat om redenen van andere ziekten, van vaderschap, of te kleine familie, geen ��nduidige genetische of omgevingsfactoren aanwijsbaar zijn.

4. Biochemische en Moleculaire studies
Zonder verdere historiek moeten we ons hier beperken tot een summiere weergave van de biochemische en moleculaire gegevens die door een ontelbaar aantal onderzoekers in de laatste 15 jaar zijn verzameld en die hebben geleid tot een redelijk coherent beeld van de moleculaire samenstelling, doch nog niet van de functionele implicaties, van de verschillende morfologische lesies in de hersenen.
4.1. De amylo�de plakken (zowel in de hersenen als in de vaatwanden) blijken amorfe opstapelingen te zijn van een weinig oplosbaar peptide (een klein eiwit van 40 tot 43 aminozuren) dat het amylo�d peptide, of ook �A4- of A�-peptide genoemd wordt (de naamgeving is historisch en niet echt wetenschappelijk). Sindsdien werden nog andere prote�nen aangetoond in de plakken, die echter ofwel kwantitatief minder belangrijk zijn en/of verondersteld worden niet wezenlijk deel te nemen aan het vormingsproces van de plakken. De identificatie van het A� peptide, met name de bepaling van de aminozuur-sequentie en de daaropvolgende moleculaire clonering van het coderend DNA heeft in het midden van de jaren 80 voor een eerste doorbraak gezorgd in het moleculair onderzoek naar AD. Dit peptide bleek afkomstig van een veel groter eiwit, het Amylo�d Precursor Protein (APP) (in het Nederlands, het amylo�de voorloper prote�ne). Deze logische naam verwijst echter duidelijk niet naar een biologische functie, om de eenvoudige reden dat we tot vandaag de functie van APP niet kennen.
Op welke manier het A�-peptide uit APP wordt geknipt, is evenmin duidelijk: hiervoor zijn minstens 2 verschillende proteolytische enzymen nodig, die �- en ( -secretase werden genoemd. Samen met het ( -secretase dat instaat voor de normale splitsing van APP en dat knipt midden in de A�-peptide sequentie, vormen ze het drietal proteinasen waarnaar intensief fundamenteel onderzoek wordt verricht. Alhoewel hun naam verwijst naar het proces van secretie, in dit geval van secretie van APP of van het A�-peptide, zou het evengoed kunnen staan voor secret of geheim, vermits van geen van de 3 proteinasen enige moleculaire of functionele kennis voorhanden is. Het is duidelijk dat het begrijpen van dit secretieproces ��n van de sleutels vormt tot het ontstaansmechanisme van de amylo�de plakken.
Een tweede belangrijk gegeven dat APP direct aan AD koppelt is het feit dat het APP gen gelegen is op chromosoom 21, in de zogenaamde kritische regio die verantwoordelijk is voor trisomie 21 of mongolisme. Merkwaardig genoeg blijken mongooltjes in hun hersenen dezelfde typische amylo�de plakken en neurofibrillaire tangles te vertonen als AD-pati�nten, maar dan reeds op veel jongere leeftijd. Het is duidelijk dat door het gen-dosage effect (3 copie�n van het APP gen) de overexpressie van APP leidt tot een teveel aan A�-peptide en dus tot amylo�de plakken. Wegens de typische problematiek van mongooltjes is het niet mogelijk definitief uit te maken of dezelfde mechanismen van hersen-beschadiging tussenkomen in mongolisme en in AD.
Het derde en meest directe bewijs dat APP fundamenteel belangrijk is in het onstaansmechanisme van neurodegeneratie in AD was het vinden van specifieke DNA mutaties in het APP-gen in een twintigtal verschillende families met een vroege familiale vorm die autosomaal dominant overge�rfd werd (zie hoger). Bovendien hebben deze mutaties ook een wetenschappelijk belangrijke aanwijsfunctie naar het moleculair mechanisme: ze resulteren namelijk allemaal in gewijzigde aminozuren in de buurt van de drie secretase splitsingsplaatsen in het APP prote�ne. Dit wijst erop dat de mutaties veranderingen in structuur teweegbrengen in het APP-prote�ne, waardoor dit gevoeliger wordt aan andere dan normale splitsing (door alfa-secretase). Dit werd in vitro, in cel-culturen, ook aangetoond: meer van het A�-peptide wordt gesecreteerd door cellen met een mutant APP gen dan in controle cellen. Het gevormde A�-peptide is ook langer, met name 42 of 43 aminozuren in plaats van A�-peptide met 40 aminozuren dat overweegt in controle culturen. Dit werd ook in vivo, in pati�nten aangetoond: in de amylo�de plakken in hersenen wordt in belangrijke mate de langere A�-peptiden aangetroffen.
4.2. De neurofibrillaire tangles zijn opgebouwd uit tau-prote�ne dat in meerdere specifieke vormen voorkomt: deze ontstaan zowel door alternatief splitsen ter hoogte van het mRNA als door het aanbrengen van fosfaat-groepen op het prote�ne (post-translationele fosforylatie). Tau-prote�ne dat ge�soleerd werd uit NFT uit hersenen van AD pati�nten bleek abnormaal sterk gefosforyleerd te zijn op specifieke plaatsen, met name op serine en threonine aminozuren die naast een proline gelegen zijn. Dit abnormale fosforylatie-patroon kan wijzen op verhoogde activiteit van prote�ne kinasen, enzymen die verantwoordelijk zijn voor fosforylatie reacties, maar zou ook aan verminderde fosfatase reacties toegeschreven kunnen worden. Prote�ne fosforylatie is zowat het meest verspreide cellulaire regulatie-mechanisme dat tussenkomt in zowat alle cellulaire processen (van cel-deling tot celdood) en het aantal kinasen en fosfatasen, met inbegrip van regulatorische sub-eenheden, is dan ook legio en zijn zeker niet allemaal gekend, laat staan gekarakteriseerd. Hierdoor wordt de zoektocht naar die specifieke kinasen of fosfatasen die verantwoordelijk zijn voor de over-fosforylatie van tau-prote�ne in AD, niet ��nduidig. Bovendien zijn er voor dit systeem geen directe genetische aanknopingspunten.
Functioneel bindt het tau-prote�ne aan microtubuli, structuren die deel uitmaken van het cytoskelet van alle cellen, maar die in neuronen verantwoordelijk zijn voor de functionele stabiliteit van de axonen, de lange uitlopers waarmee alle functionele contacten -schakelingen- in de hersenen tot stand worden gebracht en worden onderhouden. Deze circuits zijnde wezenlijke basis van onze mogelijkheid tot leren en onthouden, tot reflexen en gewilde bewegingen en zijn dus feitelijk uniek in de hersenen van elke mens. Over-fosforylatie van het tau-prote�ne belet de normale interactie met de microtubuli hetgeen een aanwijzing is waar het mechanisme fout loopt, nadat over-fosforylatie is opgetreden.

5. Huidige stand van zaken
Zoals uiteengezet in de inleiding is het probleem van de ziekte van Alzheimer er ��n van de toekomst: de toenemende vergrijzing zal zonder de minste twijfel het aantal gevallen sterk doen toenemen, terwijl er op dit ogenblik geen ��nduidige, vroegtijdige diagnose mogelijk is (pre-symptomatisch). Bovendien is er geen enkele vorm van therapie of behandeling met enig positief vooruitzicht van effici�ntie. Dit weinig rooskleurig beeld heeft dan ook een enorme beweging van wetenschappelijk onderzoek op gang gebracht waarin zowat alle aspecten die hoger zijn aangehaald worden onderzocht in allerlei soorten van experimentele systemen, zowel in vitro als in vivo. We willen hier enkele van de belangrijkste krachtlijnen naar voor brengen, waar het onderzoek zich de komende jaren zal moeten op toespitsen.
Sommige van deze krachtlijnen mogen op het eerste zicht ver van het probleem in de pati�nt verwijderd lijken, maar fundamenteel biomedisch onderzoek is zelden een recht-toe-recht-aan zaak. Een tweede punt is dat de functionele complexiteit van de hersenen die op cellulair niveau reeds lang duidelijk was, pas nu op moleculair niveau begint te worden onderbouwd. Hieruit blijkt dat de moleculaire complexiteit van de hersenen van een totaal andere orde is dan enig ander orgaan of functie in ons lichaam. Het ziet ernaar uit dat het merendeel van onze genen (en dat zijn er mogelijk honderdduizend) in onze hersenen nodig en actief zijn. Deze moleculaire en functionele complexiteit maakt dat enige relevantie van in vitro vindingen, steeds zal moeten gekoppeld worden aan in vivo testsystemen. Dit wordt eveneens gedicteerd door het feit dat implicatie van gedragswijzigingen en leer- en geheugen-problemen in AD, niet op een in vitro-schaal kunnen onderzocht worden. Uiteraard is dit onderzoek in AD-pati�nten zelf onmogelijk zowel om ethische als om practische redenen. Dit zijn allemaal argumenten die pleiten voor een sterke, gerichte en multi-diciplinaire aanpak, waarin naast prote�n-chemisch en cel-biologisch onderzoek plaats moet zijn voor een dier-experimenteel model.
Een eerste probleem is de vraag naar de mechanismen waarop de proteolytische splitsing van APP in neuronen in de hersenen precies gebeurt. Dit vereist kennis van de intracellulaire routes van secretie, van de receptoren en factoren die deze sortering toelaten of verstoren in AD, kennis van de identiteit en eigenschappen van de drie secretase enzymen die al dan niet het A�-peptide vrijzetten uit APP, kennis van de normale fysiologische rol van APP, kennis ook van de mechanismen waardoor het A�-peptide neurotoxisch wordt. Hiervoor is fundamenteel cel-biologisch onderzoek nodig in deze cellen, enerzijds in cel-culturen in vitro waar de cellen en de moleculen experimenteel kunnen gemanipuleerd worden en anderzijds in vivo, omdat een neuron op zich niet bestaat en steeds deel uitmaakt van een specifiek en actief circuit dat in verschillende delen van de hersenen aangrijpt en projecteert.
Een tweede probleem is de vraag naar de rol van het lipiden metabolisme dat door ApoE wordt gedragen. Het feit dat de ApoE4-isovorm van dit lipoprote�ne zulke dramatische gevolgen kan hebben, heeft het onderzoek in deze richting een enorme impuls gegeven aan heel wat onderzoeksgroepen die actief waren in het perifeer lipiden metabolisme.
Het derde probleem waarin zwaar ge�nvesteerd wordt, is fundamenteel onderzoek naar de analyse, zeg maar moleculaire dissectie van het tau-prote�ne en de speurtocht naar de kinasen en fosfatasen die verantwoordelijk zijn voor de over-fosforylatie.
Tenslotte, een natuurlijk in vivo test-systeem is niet voorhanden. Experimenten op onze naaste verwanten in het dierenrijk zijn ethisch niet te verantwoorden en bovendien praktisch ook niet haalbaar. Andere natuurlijke dier-modellen bestaan niet waardoor er moet worden geopteerd voor een experimenteel dier-model dat genetisch gemanipuleerd kan worden. Hiervoor zijn in eerste instantie transgene muizen en ratten bijzonder geschikt. De eerste omwille van de uitgebreide genetische en biotechnologische kennis die reeds beschikbaar is in deze richting en de tweede omdat ratten de farmacologisch best bestudeerde diersoort is waarin nieuwe farmaca kunnen getest worden.
Het is in deze richting dat het fundamenteel onderzoek in ons laboratorium zich beweegt: door een multi-disciplinaire aanpak worden zowel in vitro als in vivo de nodige test-systemen gegenereerd die moeten toelaten de afgelijnde problemen en vragen aan te pakken. De uiteindelijke bedoeling is test-systemen te ontwikkelen, zowel een dier-experimenteel model als cellijnen, om diagnostische parameters in relatie tot het verloop van het ziekteproces te volgen en om farmaca te kunnen testen en te ontwikkelen. Het is duidelijk dat een verbeterde diagnose en het vroegtijdig ingrijpen in het ziekte-proces, om de neurodegenratie en de dementie te voorkomen, uit te stelen of zelfs maar af te remmen, een uitzonderlijk belangrijke bijdrage zou betekenen voor de steeds talrijk wordende AD-pati�nten en hun naaste omgeving.
(bron : Prof. Fred Van Leuven)