Cellulært stressrespons - nøglen til celleskader i hjernesygdomme?

Det cellulære stressrespons er vigtigt for cellernes evne til at overleve, og desuden sørger stressresponset for kontrolleret celledød under hjernens udvikling, hvor nogle celler skal gå til grunde, når de har udspillet deres rolle. Men systemet er et tveægget sværd. Fejlregulation kan medføre alvorlige hjernesygdomme.

Normal udvikling og funktion af pattedyrs og menneskers hjerner er betinget af neurotransmission, der formidles af det stimulerende signalstof glutaminsyre. Signalprocesserne involverer vigtige kognitive funktioner, som er centrale for bevidstheden, samt forskellige neurotrofiske og neurotoksiske funktioner.
Forstyrrelser i regulationen af én eller flere af disse processer er involveret i de celleskader, der observeres i akutte neurologiske sygdomme som slagtilfælde, neurodegenerative sygdomme som Alzheimers syge og psykiatriske sygdomme som skizofreni.
Ingen af sygdommene kan på nuværende tidspunkt behandles tilfredsstillende med deraf følgende store menneskelige og samfundsmæssige omkostninger. Det skyldes ikke mindst, at det endnu ikke er muligt at fjerne de uønskede patologiske effekter uden samtidigt at påvirke de essentielle fysiologiske funktioner på en uacceptabel måde.
Nyt udstyr muliggør dynamiske studier af de involverede processer. Sådanne studier vil fremme muligheden for at finde terapeutiske strategier til udvikling af effektive lægemidler med færre bivirkninger.

En fællesnævner for de umiddelbart meget forskellige sygdomme er forstyrrelser i den intracellulære calciumbalance, som bl.a. påvirkes af glutaminsyre. En central rolle spilles af det endoplasmatiske reticulum, et intracellulært organe, som simultant er involveret i cellens deponering og signalering af og med calcium samt med syntese og transport af proteiner, der skal bruges inde i og udenfor cellen. Det endoplasmatiske reticulum har tætte fysiske og funktionelle kontakter til andre intracellulære organer eller til cellemembranen, og interaktionerne mellem disse strukturer er essentielle for, at cellen fungerer korrekt.
Vores arbejdshypotese er, at en regulatorisk eller funktionel fejlfunktion i systemet fører til et tofaset cellulært stressrespons, som er nært knyttet til det endoplasmatiske reticulum. Den første fase er et adaptivt stressrespons, der fører til aktivering af et spektrum af stressgener, hvis funktion er at forøge cellens modstandskraft og overlevelsemuligheder. Den anden fase er et sidste beredskab - en slags cellulær selvmordsknap - som kan aktiveres, hvis det adaptive stressrespons ikke er tilstrækkeligt til at sikre cellens overlevelse. Aktivering af dette beredskab fører til cellens tilintetgørelse på en kontrolleret vis. Herved undgås det, at cellen går til grunde på en katastrofisk måde, som medfører skader på de omkringliggende, sunde celler, på vævet og i sidste ende på individet. Der er således en vis grad af kommunikation mellem de to systemer.

Det cellulære stressrespons er evolutionært velbevaret og findes i alle dyreceller, lige fra rundorme til mennesker, og det aktiveres blandt andet ved uønskede udefrakommende påvirkninger. Desuden aktiveres systemet under hjernens udvikling, hvor nogle af cellerne skal gå til grunde for, at et velordnet netværk mellem nervecellerne kan opbygges. Det cellulære stressrespons er en meget vigtig mekanisme for cellers, organers og individers udvikling og tilpasningsevne - og dermed for overlevelsen.
Problemerne opstår, hvis regulationen af systemet kommer ud af kontrol, så det aktiveres på forkerte tidspunkter eller i en for lang periode. Dette kan medføre udviklingsmæssige skader, som menes at være tilfældet ved skizofreni, eller direkte celleskader, som kendes fra de neurodegenerative sygdomme. En sådan uhensigtsmæssig aktivering af cellernes stressrespons gør fysiologi til patologi. Vores forskning sigter på at afklare, hvornår og hvordan dette sker.

Vi anvender dyrkede nervecellekulturer fra forskellige dele af musehjerner som modelsystemer, der er særligt velegnede til mekanistiske undersøgelser på molekylært niveau. Dette skyldes bl.a. kulturernes monotypiske karakter, der tillader separate studier af de enkelte celletypers respons.
Vi har gennem mange år karakteriseret den toksicitet og de celleskader, som forårsages af glutaminsyre, og i særdeleshed de ændringer i calciumbalancen, som er af afgørende betydning for udviklingen af toksiciteten. Vi har i de senere år endvidere inkluderet studier af ekspressionen af en gruppe proteiner, som er relateret til det endoplasmatiske reticulum. Proteinerne er involveret i det adaptive stressrespons og spiller formentligt en vigtig rolle i regulationen af calciumbalancen. Herved har vi opnået et detailleret kendskab til mange af de enkelte biokemiske parametre, der ændres ved påvirkning af nervecellerne med glutaminsyre, herunder også kvantitative målinger af nervecellernes overlevelse efter de forskellige påvirkninger.

Imidlertid har vore og andres undersøgelser vist, at der ikke eksisterer nogen simpel sammenhæng mellem størrelsen af ændringer i calciumbalancen og graden af celleskader, ligesom de biologiske konsekvenser af de øvrige molekylærbiokemiske forandringer heller ikke kan forudsiges. Dette er specielt vigtigt i nærværende sammenhæng, dels fordi mange fysiologiske, normalt fungerende signaleringssystemer inde i cellen involverer ændringer i calciumbalancen og stressresponset, og dels fordi glutaminsyre medierer både ønskede og uønskede processer.
Det er således af stor vigtighed at kunne afgøre på hvilken måde en given molekylær ændring påvirker cellens funktionionalitet. Dette testes ved en ultimativ funktionalitetstest for en nervecelle i evnen til at frisætte sit signalstof som kommunikationsmiddel i det neurale netværk, hjernen udgør.
Hidtil har det udelukkende været teknisk muligt at studere de enkelte parametre separat og statisk. Sådanne øjebliksbilleder tillader ikke samtidige analyser af den beskrevne problematik, som udelukkende kan belyses ved hjælp af en avanceret form for konfokal mikroskopi, som tillader måling af op til tre parametre samtidigt i den samme celle. Et sådant udstyr har vi netop fået bevilliget fra Carlberg Fondet i samfinanciering med DFU.
Apparaturet muliggør meget detaljerede studier i levende celler både med hensyn til rumlig og tidsmæssig opløsning. På den måde bliver det muligt at bestemme de dynamiske aspekter af calciumsignalering og mange andre parametre. Desuden er det muligt at opnå en direkte kobling mellem molekylære ændringer og det cellulære respons i form af overlevelse eller celleskader.
Vi har således nu fået enestående muligheder for at studere samspillet mellem parametre, der hidtil udelukkende har kunnet studeres enkeltvis.
Et mere detailleret kendskab til de enkelte processer og i særdeleshed om rækkefølgen af dem vil bidrage til den grundlæggende forståelse af både de fysiologiske og de patologiske processer, signaltransduktionen relaterer sig til. En sådan viden vil udover den grundvidenskabelige interesse formodentligt forbedre mulighederne for at udvikle stoffer, der selektivt hæmmer de patologiske mekanismer uden at påvirke de normal fysiologiske funktioner, hvorved bivirkningsprofilen for de nye potentielle lægemidler vil forbedres.