Fruchtfliegen helfen bei der Aufklärung der Wirkstoffentdeckung für ALS

Amyotrophe Lateralsklerose (ALS) ist eine verheerende und unheilbare neurodegenerative Erkrankung, die Menschen im Erwachsenenalter betrifft. Es führt zum Tod von Neuronen, die an der Muskelkontrolle beteiligt sind und schließlich fast alle Facetten des Körpers betreffen, einschließlich Gehen, Schlucken und Atmen. Dr. Nancy Bonini und Leeanne McGurk von der University of Pennsylvania untersuchen mithilfe von Fruchtfliegen, Säugetierzellsystemen wie Neuronen und In-vitro-Proteinpräparaten vielversprechende neue Moleküle, die neue Behandlungsmöglichkeiten für diesen verheerenden Zustand eröffnen könnten.

Amyotrophe Lateralsklerose (ALS) - auch bekannt als Motoneuron (e) -Krankheit - ist eine schwere und unheilbare Krankheit, die sich verheerend auf die Lebensqualität der Betroffenen sowie ihrer Pflegepersonen und Familien auswirkt. ALS findet in der Öffentlichkeit die größte Resonanz in Bezug auf hochkarätige Persönlichkeiten, die von dieser Erkrankung betroffen sind, einschließlich des amerikanischen Baseballspielers Lou Gehrig - daher wird die Erkrankung manchmal als Lou Gehrigs Krankheit bezeichnet - und des weltbekannten britischen Physikers Stephen Hawking.

Die ersten Anzeichen und Symptome von ALS können Stolpern, Beinschwäche und Schwierigkeiten bei der Steuerung von Handbewegungen sein oder das, was die Menschen als einfache Unbeholfenheit abtun könnten. Die Diagnose wird in der Regel durch Bildgebungs- und Scantechniken unterstützt, die andere Ursachen für Nervenschäden und mangelnde Motorik ausschließen können, einschließlich Hirntumoren und Neuropathie. Im Laufe der Zeit verschlechtern sich die Symptome von ALS allmählich und betreffen fast alle Körperregionen, was zu Muskelschwäche, Steifheit und Lähmung führt. Mit fortschreitender Krankheit wird die Atmung von Menschen mit ALS schwieriger und das Essen wird unmöglich, da die mit dem Schlucken verbundenen Muskeln betroffen sind. Fast alle Menschen mit ALS werden irgendwann Schwierigkeiten haben, frustrierend zu sprechen, und einige verlassen sich auf Technologie, um zu kommunizieren - mit frühen Versionen dieser Technologie, die möglicherweise am besten durch Stephen Hawkings berüchtigte Computerstimme dargestellt werden. Die häufigste Todesursache bei Menschen mit ALS ist ein Atemversagen, da die Krankheit die Atem- oder Hustenfähigkeit der Patienten beeinträchtigt. Viele Menschen mit ALS sterben innerhalb von zwei bis fünf Jahren nach ihrer Diagnose, viele sind noch im mittleren Alter.

Risikofaktoren sind nicht gut verstanden, umfassen jedoch das Alter, wobei die meisten Menschen im mittleren bis älteren Erwachsenenalter diagnostiziert werden. Ein kleiner Teil der Fälle wird vererbt und in Familien geführt, während die meisten Fälle anscheinend sporadischer Natur sind. Obwohl mehrere Gene mit ALS in Verbindung gebracht wurden, kann keines der entdeckten Gene die Krankheit vollständig erklären.

Bei gesunden Personen ist TDP-43 im Zellkern, bei ALS und verwandten Erkrankungen verlässt TDP-43 den Zellkern und reichert sich im Zytoplasma an.

Der dringende Bedarf an mehr Forschung in Bezug auf ALS hat nach hochkarätigen Kampagnen von Interessenvertretern und Patientengruppen das Bewusstsein geschärft. Eine sehr erfolgreiche "Ice Bucket Challenge" -Onlinekampagne hat ALS in den letzten Jahren in der öffentlichen Meinung gefestigt und über 100 Millionen US-Dollar gesammelt, um wichtige Forschung und Dienstleistungen für die mit der Krankheit lebenden Menschen zu unterstützen.

Trotz des gestiegenen Bewusstseins und der Finanzierung für die Erkrankung gibt es nur wenige wirksame Behandlungsmöglichkeiten für Menschen, die mit der Erkrankung leben. Nach Jahrzehnten der Forschung gibt es derzeit keine Heilmittel für Menschen, die mit ALS leben. Bestehende Behandlungen sind begrenzt und können den Patienten helfen, mit einigen Symptomen der Erkrankung umzugehen, verlängern jedoch die Lebensdauer um bis zu drei Monate. Klinische Studien für dringend benötigte Behandlungen gibt es nur wenige und es ist relativ wenig über die molekularen Prozesse bekannt, die für die weitverbreiteten Auswirkungen auf das Zentralnervensystem verantwortlich sind.

Nach Jahrzehnten der Forschung gibt es derzeit keine Heilmittel für Menschen, die mit ALS leben.

Vielversprechende neue Horizonte Dr. Leeanne McGurk, Postdoktorandin im Labor von Dr. Nancy Bonini am Department of Biology der University of Pennsylvania, hat ihr bisheriges Berufsleben dem Verständnis der molekularen Mechanismen von ALS gewidmet, um neue aufzudecken Alleen auf der Suche nach erfolgreichen medikamentösen Behandlungen. Gemeinsam haben McGurk und Bonini wichtige Schritte unternommen, um Moleküle zu lokalisieren, die dazu beitragen könnten, einige der Prozesse in Angriff zu nehmen, die unter diesen Bedingungen schief gehen. Als Teil ihres Forschungs-Toolkits haben Dr. McGurk und Bonini einige ihrer grundlegendsten Entdeckungen anhand eines kleinen, aber leistungsstarken Modells für neurodegenerative Erkrankungen gemacht - gewöhnliche Fruchtfliegen. Sie erweitern ihre Erkenntnisse von der winzigen Fliege auf andere Systeme und Ansätze in Studien mit ihrem Team von Mitarbeitern.

Gesunde Nervenzellen von Nagetieren können in einer Schale gezüchtet werden (linkes Feld). Nervenzellen, die mit einem Virus infiziert sind, das zur Herstellung von TDP-43-Protein entwickelt wurde, ahmen eine Krankheit nach, indem sie einen Nervenverlust zeigen (mittleres Feld). McGurk und Bonini fanden heraus, dass die Behandlung der Nervenzellen mit einem PARP-1/2-Inhibitor den durch die Expression von TDP-43 verursachten Nervenzellverlust verringert. Diese Figur wurde zuvor in L. McGurk et al.

Fruchtfliegen nach dem Vorbild von ALSDrosophila melanogaster - besser bekannt als Fruchtfliegen - sind dem Menschen überraschenderweise ähnlicher, als sie auf den ersten Blick erscheinen könnten, und werden seit über 100 Jahren in wissenschaftlichen Studien zu Krankheiten eingesetzt. Fruchtfliegen teilen viele der Gene, die beim Menschen vorkommen und zeigen komplexere Verhaltensweisen als erwartet, von Bewegung bis zu sozialen Interaktionen. Die Tatsache, dass Fruchtfliegen ein kleineres Genom als andere Labortiere wie Mäuse haben, bedeutet, dass ihre DNA leichter untersucht werden kann als Säugetiere. Ihre kürzeren Lebensdauern, die eher in Tagen als in Monaten gemessen werden können, machen es Forschern einfacher, schneller und kostengünstiger, krankheitsbedingte Veränderungen zu verfolgen, die sich über ein Leben hinweg ereignen. Eine Reihe von Molekülen wurde in diesen winzigen Kreaturen getestet, einige wurden sogar in klinischen Studien für eine Reihe von Krankheiten getestet.

Gemeinsam haben McGurk und Bonini wichtige Schritte unternommen, um Moleküle zu lokalisieren, die dazu beitragen könnten, einige der Prozesse in Angriff zu nehmen, die unter diesen Bedingungen schief gehen.

TDP-43 - ein wichtiger Einblick in ALSViele Patienten mit ALS zeigen Zellen, die aus einem Protein namens TDP-43 aufgebaut sind. In gesunden menschlichen Zellen befindet sich dieses Protein im Herzen der Zelle, dem so genannten Zellkern. Bei ALS sickert TDP-43 jedoch aus diesem Zellkern heraus und reichert sich an anderen Stellen in der Zelle in Klumpen an. Proteinverklumpungen treten bei anderen neurodegenerativen Erkrankungen auf, einschließlich der Alzheimer-Krankheit, die durch Verklumpung von Amyloid- und Tau-Proteinen und frontotemporale Degeneration gekennzeichnet ist, an der in etwa der Hälfte aller Fälle auch das TDP-43-Protein beteiligt ist.

Die ALS Ice Bucket Challenge war ein Internet-Phänomen, bei dem über 100 Millionen US-Dollar für Ressourcen und die Erforschung von ALS aufgebracht wurden.

Dr. McGurk und andere Mitglieder des Bonini-Labors haben als Postdoc-Forscher ALS in Fruchtfliegen modelliert, indem sie Zellen im Nervensystem manipuliert haben, um menschliches TDP-43 zu exprimieren. Fliegen, die dieses humane Protein exprimierten, zeigten sowohl eine Neurodegeneration als auch eine verkürzte Lebensdauer, ähnlich den Merkmalen, die ALS widerspiegeln. Dieser Fortschritt war ein wichtiger Meilenstein, da er dem Team ein Modell für die effiziente Untersuchung von ALS auf molekularer Ebene bot. Weitere Studien mit Fruchtfliegen geben Aufschluss über das Verhalten von TDP-43, wobei der Schwerpunkt auf der Proteinverklumpung, dem Transport von TDP-43 durch die Zelle und der Reaktion des Proteins unter Stressbedingungen wie den bei der Krankheit beobachteten liegt.

TDP-43-zielgerichtete Therapien In aufregenden Nachfolgeexperimenten stellten Bonini und McGurks Team fest, dass der durch die Expression von TDP-43 im Flug verursachte Schaden behoben werden kann. Sie entdeckten, dass die Verringerung der Spiegel eines Enzyms, das als PARP-5 bekannt ist, bedeutete, dass die Fliegen, die TDP-43 exprimierten, den frühen Tod stoppten. Die Forscher glauben, dass PARP-Enzyme der Schlüssel zum Verständnis der Ansammlung von Proteinen im Zellzytoplasma außerhalb des Zellkerns sein und darüber hinaus Aufschluss darüber geben könnten, wie der Aufbau von TDP-43 in diesem Teil der Zelle verringert werden kann.

Als McGurk und Bonini dies mit ihren Mitarbeitern an menschlichen Rückenmarkszellen untersuchten, stellten sie fest, dass PAR - eine Kette von Molekülen, die durch PARP an Zielproteinen markiert ist und die Toxizität von TDP-43 kontrolliert - in hohen Konzentrationen im Kern des Motors gefunden wurde Nervenzellen. Dies deutete darauf hin, dass die PARP-Aktivität im menschlichen Rückenmark in Gegenwart von ALS erhöht war. Um diese Theorie weiter zu testen, testeten die Forscher ein Medikament zur Verringerung der Aktivität von PARP-1/2 in einem Rattennervenzellenmodell von ALS, das menschliches TDP-43 exprimiert. Vielversprechend ist, dass das Medikament - ursprünglich als Krebstherapie entwickelt - den durch TDP-43 verursachten neuronalen Tod reduziert. Die Ergebnisse legen nahe, dass PARP-Enzyme ein wichtiges Ziel für die Untersuchung neuer medikamentöser Behandlungen bei Krankheiten sein könnten, die mit TDP-43-Klumpen verbunden sind.

Bei ALS-Patienten sahen McGurk und Bonini hohe PAR-Werte im Zellkern (Pfeil) der Nervenzellen, die bei ALS degenerieren. Dies legt nahe, dass die Enzyme, die PAR bilden, in diesen Zellen bei Krankheit aktiv sind. Diese Figur wurde zuvor in L. McGurk et al.

Zukünftige Schritte Es gibt noch viel über PARP-Enzyme zu lernen, bevor sie zur Behandlung von ALS-Patienten verwendet werden können. Dazu gehört, wie die Subtypen von PARP-Enzymen zusammenwirken und wie sie den Transport von TDP-43 durch die Zelle beeinflussen. Diese Ergebnisse werfen jedoch ein Licht auf die molekularen Mechanismen, die der Krankheit zugrunde liegen, und sind ein Hoffnungsträger in einer von einer Dürre der Fortschritte in den letzten Jahren geprägten Arzneimittelentdeckungslandschaft. Die Ergebnisse könnten auch Aufschluss über Behandlungen von Erkrankungen geben, die einige der gleichen molekularen Eigenschaften aufweisen, einschließlich der frontotemporalen Degeneration. Während es noch einen weiten Weg gibt, bis entschieden werden kann, ob PARP-basierte Therapien für ALS funktionieren könnten, bemühen sich Wissenschaftler wie Dr. McGurk und Bonini weiterhin darum, ALS auf molekularer Ebene zu verstehen, und geben denjenigen, die mit dieser verheerenden Krankheit leben, Hoffnung.

Persönliche Antwort

Welche Schritte müssten unternommen werden, bevor auf PARP-Enzymen basierende Therapien in einer klinischen Studie getestet werden könnten?

ALS ist eine heterogene Krankheit, was bedeutet, dass es viele verschiedene Gene gibt, die, wenn sie mutiert sind, zu der Krankheit führen. Wir müssen verstehen, ob PARP-Inhibitoren für alle oder nur einige dieser Krankheitsgensituationen unter Verwendung unserer Modellsysteme von Zellen und Tieren von Nutzen sind. Diese Arten von Studien werden Aufschluss darüber geben, ob bestimmte Patienten für diese Wirkstoffe besser geeignet sind, wenn sie sich als vielversprechend erweisen. Viele der entwickelten PARP-Inhibitoren haben sehr spezifische Wirkmechanismen und einige können die Blut-Hirn-Schranke besser überwinden als andere. Wir müssen zuerst verstehen, ob es Unterschiede bei diesen PARP-Inhibitoren bei der Behandlung der ALS-assoziierten Toxizität in Zellen und in Neuronen gibt, damit wir die beste Verbindung oder die besten Verbindungen für weitere Tests auswählen können. Traditionell werden Medikamente in Krankheitsmodellen von Nagetieren getestet, bevor sie in eine klinische Umgebung gelangen können. Das Gebiet hat große Fortschritte bei Nagetiermodellen gemacht, die Aspekte des Krankheitsprozesses zusammenfassen. Sobald wir wissen, welche Inhibitoren in unseren Einstellungen am vielversprechendsten sind, besteht der nächste Schritt darin, in einem Nagetiersystem voranzukommen und zu testen.

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