Når skrumpelever får hjernen til at slå fra
Levercirrose – kendt som skrumpelever – kan invalidere hjernen og fremkalde koma. Virkningsmekanismen bag den nuværende medicinske forebyggelse og behandling er ukendt, men nye forsøg kan afdække processen og lede til bedre behandlingsmetoder.
Af Arne Schousboe, Helle S. Waagepetersen, Lasse K. Bak, Maja Lidman Johansen, Susanne Keiding, Hendrik Vilstrup, Peter Iversen og Michael Sørensen
Fra Lægemiddelforskning 2006
Omkring 15.000 danskere lider af alvorlig kronisk leversygdom – levercirrose – og tre ud af fire rammes mindst én og oftest flere gange af hepatisk encefalopati, som er en invaliderende hjernepåvirkning, der skyldes leverens utilstrækkelige funktion. Patienternes tilstand varierer fra personlighedsforstyrrelser til livstruende koma.
I dag bruges tabletter, som indeholder aminosyrerne valin, leucin og isoleucin, både til forebyggelse og behandling af hepatisk encefalopati. Behandlingen hjælper mange patienter, og forebyggelsen formindsker risikoen, men virkningsmekanismen er ukendt. Vi har sat fokus på mekanismen via en unik kombination af eksperimentelle teknikker, og vore foreløbige resultater fra forsøg med cellekulturer fra musehjerner viser, at aminosyrerne i lægemidlet omsættes som et led i hjernecellernes energistofskifte. Det er dog endnu for tidligt at vurdere, om resultaterne kan overføres til behandlingssituationen hos mennesker.
For meget ammoniak
Et kendetegn for hepatisk encefalopati er, at ammoniakniveauet i blodet er betydeligt forhøjet på grund af leverens nedsatte evne til at omdanne ammoniak til urinstof, som udskilles i nyrerne. Det forhøjede ammoniakniveau i blodet forringer hjernens funktion på en måde, som endnu ikke er afklaret.
Der har dog igennem adskillige år været en hypotese, som går ud på, at hæmning af et nøgleenzym i tricarboxylsyrecyklus (TCA-cyclus), kaldet α-ketoglutaratdehydrogenase (α-KGDH), kan spille en afgørende rolle, fordi hæmningen af enzymet vil påvirke hjernens energistofskifte. Dette er vigtigt, da hjernens primære mulighed for at fjerne ammoniak er at omdanne aminosyren glutamat til glutamin under forbrug af energi i form af ATP; altså i en energikrævende proces. Hjernen optager ammoniak fra blodet, som derefter bindes i glutamat og endeligt i glutamin, som er en uskadelig kvælstofforbindelse.
Processen er særligt interessant, fordi den alene foregår i hjernens astrogliaceller, som synes at spille en vigtig rolle ved hepatisk encefalopati. For nylig er det blevet foreslået, at man kan omgå følgerne af hæmningen af α-KGDH med stoffer, som omsættes i TCA-cyklus efter det trin, som enzymet katalyserer. Nogle af disse stoffer er aminosyrerne valin og isoleucin, som anvendes i den nuværende behandling.
På den baggrund er vi nu gået i gang med at undersøge, om disse forgrenede aminosyrer kan omsættes i hjernen hos rotter med eller uden eksperimentelt induceret levercirrose, samt i dyrkede nerveceller og astrogliaceller i nærvær og fravær af ammoniak.
Omsættes i TCAcyklus
Vi har analyseret omsætningen af kulstof-13-mærket isoleucin i dyrkede nerveceller og astrogliaceller og sammenlignet med omsætningen af kulstof-13-mærket glukose. Resultaterne viser, at der sker en betydelig omdannelse af isoleucin til aminosyrerne aspartat og glutamat i nærvær såvel som fravær af ammoniak. Det viser, at isoleucin rent faktisk omsættes i cellernes TCA-cyklus. Men forsøgene viser også, at den α-KGDH-katalyserede reaktion ikke synes at være særlig påvirket af selv meget høje koncentrationer af ammoniak. Hæmning af enzymet kan derfor næppe være den vigtigste forklaring på, at forhøjede koncentrationer af ammoniak i blodet kan udløse hepatisk encefalopati.
Foreløbige forsøg på rotter har ikke vist omsætning af isoleucin i hjernen, men den mængde kulstof-13, som vi indgav rotterne ved forsøgene, har muligvis ikke været tilstrækkelig til at sikre målelige mængder af markøren i produkterne glutamat og aspartat.
- Forhøjende niveauer af ammoniak i blodet udløser hepatisk encefalopati, men mekanismen er uafklaret. Nøglen til en forståelse skal måske søges i tricarboxylsyrecyklus, som er en central proces i hjernens energistofskifte. Det er blevet foreslået, at forhøjet ammoniak hæmmer omdannelsen af alfa-ketoglutarat til succinyl-CoA, hvilket kan omgås ved omsætning af isoleucin, som omdannes til både succinyl-CoA og acetyl-CoA. Dannelse af glutamat og glutamin fra alfa-ketoglutarat i hjernens astrocytter binder ammoniakken og afhjælper dermed den giftige ammoniakpåvirkning.
Reaktionsvejene kortlægges
Ved cellekulturforsøgene med kulstof-13-mærkning af de involverede aminosyrer udføres den efterfølgende analyse ved hjælp af massespektrometri, og fordelen ved metoden er, at man kan følge reaktionsvejene meget præcist. Det er forventeligt, at undersøgelserne vil give os vigtige oplysninger om omsætningen af forgrenede aminosyrer i hjernens celletyper; en viden som indtil nu ikke har været tilgængelig.
I en senere fase vil studierne i cellekulturer blive fulgt op med hjernescanninger af levende rotter. Ved hjælp af PET-scanninger vil det være muligt at måle omsætningen af kulstof-11-mærket acetat og fluor-18-mærket deoxyglukose i hjernen hos normale og cirroseinducerede rotter, hvilket vil give information om astroglia og nervecellers metaboliske tilstand i den intakte organisme.
Rationalet er, at acetat omsættes direkte i TCA-cyclus, men kun i astrocytterne i hjernen. Med kulstof-11-mærket acetat kan man derfor få et mål for astrocytternes energistofskifte. Med flour-18-mærket deoxyglukose kan scanningerne give et mål for hjernens glukosestofskifte, som finder sted både i nerveceller og astrocytter. PET-teknologien åbner altså mulighed for direkte visualisering af hjernens normale energistofskifte, der kan bruges som udgangspunkt for at kortlægge de forandringer, som opstår, når mængden af ammoniak i blodet forøges som følge af levercirrose.
Med kombinationen af undersøgelser i dyrkede hjerneceller fra mus, undersøgelser med indbygning af kulstof-13-mærkede forgrenede aminosyrer i hjernen hos rotter med levercirrose og raske rotter, samt PET undersøgelser af rotter med og uden cirrose, mener vi at have gode værktøjer til at klarlægge virkningsmekanismen for ammoniakinducerede ændringer i hjernens stofskifte og specielt forholdene omkring de forgrenede aminosyrer, der bruges i den medicinske behandling.
Sådanne undersøgelser er ikke tidligere foretaget, og vores kombination af eksperimentelle teknikker til formålet er enestående. Resultaterne vil forhåbentligt lede til større indsigt i virkningsmekanismerne ved udvikling af hepatisk encefalopati og være med til at forbedre behandlingen af personer med kronisk leversvigt og minimere risikoen for livstruende påvirkninger af hjernen.
- PET-scanning kan kortlægge, hvordan levercirrose påvirker energistofstkiftet i den levende hjerne. PET-billedet viser omsætning af 18F-fl uodeoxyglucose i rottehjerne fra et dyr med induceret levercirrose. Farverne illustrerer intensiteten af glucosestofskiftet, således at røde farver angiver den højeste aktivitet og blå farver den laveste.
