Některé aspekty imunitního systému v patogenezi Alzheimerovy choroby

Overview

Alzheimerova choroba je závažné neurodegenerativní one­mocnění a nejčastější příčina demence v populaci nad 60 let. Ukládání betaamyloidu a tvorba neurofibrilárních klubek v mozku předchází vznik demence o mnoho let. Neúspěch léčby omezující ukládání betaamyloidu vede k přehodnocování teorií o patofyziologii tohoto onemocnění. V této souvislosti se výzkum zaměřuje na roli zánětu jako spouštěcího momentu i doprovodného procesu neurodegenerace. V našem článku shrneme některé poznatky týkající se imunitních funkcí jednotlivých buněk mozku a jejich vztahu ke vzniku a rozvoji Alzheimerovy choroby ve světle hypotézy imunitní reakce.

KLÍČOVÁ SLOVA:
Alzheimerova choroba – imunitní odpověď – zánět – buňky mozku

ÚVOD

Alzheimerova choroba (ACH) je závažné neurodegenerativní onemocnění a nejčastější příčina demence v populaci nad 60 let. Je známo, že ukládání betaamyloidu a hyperfosforylovaného tau proteinu v mozku předchází vznik demence o mnoho let [27].

Tau protein je za fyziologických podmínek fosforylován pouze v malé míře a zajišťuje stabilizaci mikrotubulů. U ACH je tau protein v mozkové tkáni hyperfosforylován, čímž dochází k disociaci podpůrného komplexu tau – mikrotubuly. Hyperfosforylovaný tau protein agreguje a následně se ukládá intracelulárně. Tato intracelulární klubka hyperfosforylovaného tau proteinu a destabilizace mikrotubulů se mohou podílet na změnách axonálního transportu a oslabení synapsí, což vede ke zhoršení kognitivních funkcí [46].

Dosud upřednostňovaná amyloidní hypotéza pokládá za klíčový faktor patogeneze ACH tvorbu a hromadění patologické formy proteinu, tzv. amyloidu β (Aβ). Aβ vzniká sestřihem membránově vázaného proteinu tzv. prekurzoru Aβ. Tento protein může být alternativně degradován různými enzymy. V případě štěpení enzymem β-sekretázou a γ-sekretázou vzniká krátký peptid Aβ, který má tendenci se kumulovat v extracelulárním prostoru CNS a tvořit fibrilární amyloidní molekuly [32]. Selhání léčby zasahující do metabolismu Aβ vede v posledních letech k přehodnocování teorie o patofyziologii tohoto onemocnění [30]. V této souvislosti se výzkum zaměřuje na úlohu zánětu jako spouštěcího momentu i doprovodného procesu neurodegenerace [23, 74]. Je známo, že rozvoj ACH je kromě ukládání Aβ a hyperfosforylovaného tau proteinu doprovázen celou řadou patologických změn v mozkové tkáni, kterých se účastní buňky CNS a které jsou doprovázeny produkcí zánětlivých mediátorů a volných radikálů. Tyto procesy jsou velice komplexní, navzájem se potencují a i přes intenzivní výzkum dané problematiky není stále zcela jasné, co je primární příčinou rozvoje ACH.

Pochopení složitých patologických procesů odehrávajících se v mozku u ACH a jejich vzájemných vztahů je klíčem pro nalezení správné léčby této závažné neurodegenerativní choroby.

Centrální nervová soustava (CNS) patří mezi imunologicky privilegované tkáně. Má schopnost lokální tvorby protizánětlivých mediátorů [51, 14], konstitutivní exprese Fas ligandu [20], disponuje stálou pohotovostní zásobou „fakultativních“ makrofágů a mikroglie a astrocyty plní také nezastupitelnou imunologickou roli [23]. Z výše uvedeného je zřejmé, že CNS je pod permanentním a dokonale řízeným imunologickým dohledem. Pokud ale tento vysoce specializovaný systém na některé z úrovní selže, stává se pro mozkové buňky velmi nebezpečným a destruktivním.

V dalším textu se budeme zabývat jednotlivými buňkami CNS a to především jejich imunitními funkcemi a vztahem k možnému vzniku a progresi ACH.

BUNĚČNÝ SYSTÉM CNS A JEHO VZTAH K ACH

Mikroglie

Mikroglie se v souvislosti se zánětem v CNS považují za klíčové. V CNS plní mikroglie roli obranné imunokompetentní buňky a řídí imunitní odpověď CNS [64]. Ve své podstatě jsou mikroglie makrofágy schopnými promptní reakce na různé stresové stimuly. Exprimují na svém povrchu hlavní histokompatibilní komplex druhého typu (MHC II) a mohou produkovat prozánětlivé i protizánětlivé cytokiny, dále chemokiny, reaktivní formy kyslíku a některé proteiny komplementu jako například C1q, C3, C4 a C9 fragment [42, 66]. V závislosti na podmínkách, které vedly k aktivaci mikroglií, pak mohou mít mikroglie neuroprotektivní či naopak neurotoxický účinek [23, 60].

Amyloidní plaky i samotný Aβ působí na mikroglie jako chemoatraktans. To vede k jejich hromadění v okolí amyloidní patologické léze a spouští jejich aktivaci. Mikroglie na svém povrchu exprimují tzv. scavengerové receptory, díky nimž adherují na amyloidní struktury, následně začínají tvořit reaktivní sloučeniny kyslíku (ROS) [26] a dochází k imobilizaci buněk [18]. Dochází ke zvýšené povrchové expresi MHC II, produkci prozánětlivých cytokinů, jako je interleukin (IL)-1β, IL-6, tumor nekrotizující faktor α (TNF-α) a interferon γ (IFN-γ) [35, 59] a cytokinů negativně regulujících imunitní odpověď, jako je růstový transformující faktor β (TGF-β), IL-10, IL-12 a IL-18 [2,51]. Fagocytózou se mikroglie snaží odstranit nerozpustné fragmenty amyloidu, které se hromadí v mozkové tkáni. Současně dochází k tvorbě ROS i indukci NO syntázy. Oba tyto produkty jsou primárně určené pro usnadnění odstranění amyloidních lézí. Jejich vedlejším efektem může ale být poškození okolních buněk – neuronů, které je mnohdy závažnější než poškození samotným Aβ [70].

Zajímavé je, že charakteristické nakupení amyloidních plaků v určitých regionech CNS nemusí vycházet z přímého ukládání plaků v těchto oblastech, ale může být způsobené migrací mikroglií s fagocytovaným amyloidem. Mikroglie s pohlceným amyloidem se přesouvají do mozkových cév a komor ve snaze zbavit mozek amyloidu, ovšem jejich degradační kapacita není příliš velká a amyloid v nich zůstává uložen v nezměněné formě po řadu dní [64] nebo ho mikroglie nedokáží degradovat vůbec. Perzistující amyloid vyvolává morfologické a funkční změny mikroglií [38]. Na druhé straně je známo, že se mikroglie podílejí na degradaci amyloidu uvolněním inzulin degradujícího enzymu (IDE). Jedná se o malý proteolytický enzym, který se kromě štěpení amyloidu podílí i na štěpení inzulinu a glukagonu. Nedostatek či snížená aktivita IDE vede ke snížené degradaci amyloidu a zároveň k hyperinzulinémii a hyperglykémii, což jsou faktory, které mohou negativně ovlivnit progresi ACH zvýšenou tvorbou ROS a sekundárních reaktivních aldehydů [19, 31].

Na aktivaci mikroglií se může podílet i tau protein [44]. Bylo prokázáno, že existuje vztah mezi výskytem mikroglií a neurofibrilárních klubek v mozkové tkáni. Asociaci mezi aktivovanými mikrogliemi, které ve zvýšené míře exprimují IL-1, a neurofibrilárními klubky je možné sledovat v celém průběhu jejich tvorby a kumulace [52, 55]. In-vitro studie ukázaly, že produkce IL-1 vede k neuronální produkci tau-fosforylujícího enzymu MAPK-p38 a také samotné fosforylaci (aktivaci) tohoto enzymu [33], což se může významně odrazit na progresi tvorby neurofibrilárních klubek i samotného onemocnění. Pro roli mikroglií v patofyziologii ACH svědčí i studie in-vivo prokazující zvýšené vychytávání ligandu vážícího se na aktivovované mikroglie v mozku pacientů s ACH v porovnání s kontrolami [75]. Intenzita signálu navíc inverzně korelovala s kognitivním výkonem [17].

Astrocyty

Astrocyty jsou nejhojněji zastoupené buňky CNS a mají podpůrnou funkci ve vztahu k neuronům. Interakce s neurony zahrnuje sekreci a recyklaci neurotransmiterů, udržování iontové rovnováhy a pH, regulaci energetického metabolismu, tlumení důsledků oxidačního stresu a synaptickou přestavbu [73]. Je dokázáno, že astrocyty zvyšují počet vyzrálých funkčních spojení neuronů a jsou nezbytné pro zachování synapsí in-vitro [57, 65]. Další významnou funkcí astrocytů je jejich podíl na tvorbě a udržení hematoencefalické bariéry. Astrocyty mohou podléhat proliferaci, morfologickým změnám a může u nich dojít ke zvýšení exprese kyselého fibrilárního proteinu. Tento proces se označuje jako astroglióza a doprovází řadu neurodegenerativních onemocnění. Na proces astrogliózy lze nahlížet jako na zhoubný proces vedoucí k zániku funkčních neuronů v důsledku vytvoření gliální jizvy, která má za úkol oddělit zdravou tkáň od tkáně poškozené nebo zanícené. Na druhou stranu je astroglióza doprovázena tvorbou růstových faktorů a neurotropinů a je možné, že může mít neuroprotektivní efekt [16, 58].

Astrocyty mají ještě další významnou úlohu. Podobně jako mikroglie i astrocyty rychle reagují na patologické podměty změnami ve své  morfologii, antigenicitě a funkci. Důsledkem aktivace astrocytů může být jak destrukce, tak i ochrana nervové tkáně.

Astrocyty mohou produkovat řadu cytokinů, jako je IL-1, IL-6, IL-10, IFN-α a IFN-β, kolonie stimulující faktory, TNF-α a TGF-β nebo chemokiny jako například IL-8, monocytový chemoatraktivní protein-1 (MCP-1) nebo RANTES [13, 45]. Podobně jako mikroglie mohou produkovat velké množství prozánětlivých mediátorů, jako jsou prostaglandiny, leukotrieny, tromboxany, koagulační faktory, složky komplementu nebo proteázy a jejich inhibitory [64]. Na svém povrchu exprimují MHC II jako profesionální antigen prezentující buňky. Exprese je vyvolána a dále regulována pomocí neurotransmiterů, neuropeptidů a cytokinů, z nichž nejvýznamnější roli hraje IFN-γ. Astrocyty tedy spoluurčují typ a rozsáhlost imunitní a zánětlivé odpovědi CNS.

U modelů transgenních myší [49], stejně jako u pacientů s ACH, se reaktivní astrocyty nacházejí v těsném okolí amyloidních plaků. MCP-1 uvnitř plaků působí na astrocyty silně chemotakticky a indukuje expresi různých receptorů na jejich povrchu (membránově asociované proteoglykany nebo scavenger receptor-like receptory), což vede k akumulaci reaktivních astrocytů okolo plaků. Možným vysvětlením tohoto nahromadění astrocytů okolo plaků je proces astrogliózy a vytvoření ochranné gliální jizvy, která izoluje amyloidní plak od okolní tkáně [72]. Druhým vysvětlením nahromaděných astrocytů okolo plaků je jejich schopnost plaky degradovat. Astrocyty pohlcují amyloid v komplexu s ApoE [63] a následně ho enzymaticky degradují pomocí neprilyzinu, inzulin-degradujícího enzymu [19] nebo metaloproteinázy-9 [79]. Funkce či dysfunkce reaktivních astrocytů tedy může hrát významnou roli v závažnosti a rychlosti progrese ACH.

Aktivace astrocytů amyloidem vede také k produkci chemokinů, cytokinů a reaktivních sloučenin kyslíku a dusíku, které mohou zapříčinit neuronální poškození [56]. IL-1 a IL-6 stimulují produkci α₁-antichymotripsinu, proteinu akutní fáze. IL-1 podporuje zvýšenou produkci NO astrocyty, který přímo poškozuje nervové buňky [11, 25]. Navíc chemokiny produkované astrocyty působí jako chemoatraktans pro mikroglie, jejichž prozánětlivé mediátory prohlubují zánětlivou reakci a poškození buněk.

Oligodendrocyty

Oligodendrocyty vytváří myelinovou pochvu okolo axonů a plní v CNS především ochrannou funkci [73]. Myelin má unikátní složení, je bohatý na lipidy a obsahuje pouze velmi malé množství vody. To, spolu se strukturní jedinečností myelinu, umožňuje neuronům rychlé saltatorní vedení vzruchů po axonech, přesný přenos vzruchů na dlouhé vzdálenosti a efektivní využití prostoru [5].

U pacientů s ACH lze pozorovat určité abnormality a poškození myelinu v bílé hmotě [50] stejně jako demyelinizaci axonů po expozici neuronů amyloidu v šedé kůře mozkové [41]. Jantaratnotai et al. [28] ukázali, že injektováním nanomolárního množství amyloidu do corpus callosum dochází k proliferaci mikroglií s následným poškozením myelinu a ztrátě oligodendrocytů. Oligodendrocyty exprimují mRNA pro velké množství komplementových proteinů [24], a jsou proto považovány za primární příčinu vysokých hladin komplementových složek v oblastech zasažených patologickým procesem u ACH. Oligodendrocyty jsou navíc velmi náchylné k oxidačnímu poškození, protože obsahují velmi malé množství glutathionu oproti jejich vysokému obsahu železa [3, 29].

Neurony

Neurony byly dlouhou dobu považovány za pouhé terče poškození aktivovaným komplementem bez možnosti vlastní ochrany. Bylo ale prokázáno, že i neurony samy o sobě mohou sehrát důležitou roli v zánětlivém procesu a neurodegeneraci. Neurony pacientů s ACH obsahují zvýšené množství mRNA pro komplementové proteiny klasické cesty oproti neuronům kontrolních dobrovolníků [53, 66]. Dále byla pozorována zvýšená exprese pentraxinů, C-reaktivního proteinu, amyloidu P [77], IL-1 [21] a TNF-α [48,51]. Produkce těchto prozánětlivých mediátorů může zpustit nebo prohloubit zánětlivou reakci vedoucí k poškození a případné smrti neuronů.

K poškození neuronů může vést i produkce prostanoidů cyklooxygenázou 2. Jedná se o inducibilní enzym, jehož exprese v mozkové tkáni je řízena synaptickou aktivitou [78] a lze na ni tedy pohlížet jako na fyziologický děj v některých podtřídách neuronů nebo dochází k indukci exprese tohoto proteinu v přítomnosti prozánětlivých mediátorů. V podmínkách zánětu pak tvořící se prostanoidy prohlubují zánětlivou reakci a tím možné poškození přítomných buněk. Dalším inducibilním enzymem reagujícím na prozánětlivé mediátory je NO syntáza [22]. Dlouhodobá stimulace tohoto enzymu může vést ke zvýšené produkci peroxynitritu. Peroxynitrit stejně jako NO produkovaný ve zvýšené míře gliálními a neuronálními buňkami mohou narušovat funkci neuronů a vést k buněčné smrti [8]. Na druhé straně neurony produkují velké množství molekul, které je mají chránit před poškozením zánětlivým procesem. Exprimují molekuly CD22 [43] a CD200 [69] a velmi důležitý protein CD59 [75,71], který inhibuje cytolýzu zprostředkovanou C fragmentem komplementového proteinu C5b-9. U ACH jsou ale některé z těchto ochranných mechanismů nedostatečné nebo zcela nefunkční. Dochází proto k silnému poškození neuronů zánětlivým procesem vyvolaným depozity amyloidu v jejich okolí [1, 71].

SYSTÉM KOMPLEMENTU A JEHO VZTAH K ACH

Komplementový systém je nedílnou součástí imunitního systému a je tvořen celou řadou proteinů a proteáz. Po aktivaci komplementu dochází ke kaskádovitým reakcím vedoucím k vytvoření devítisložkového efektorového komplexu, tzv. membránového lytického komplexu. Jsou známy dvě různé cesty aktivace komplementu, a to cesta klasická a alternativní. Přímý vztah k rozvoji a progresi ACH má klasická i alternativní cesta aktivace komplementu. Bylo prokázáno, že jak Aβ, tak i tau protein mohou aktivovat klasickou cestu, alternativní aktivace komplementové kaskády je zprostředkována fibrilární formou Aβ [1, 34, 54, 61]. Kromě Aβ a tau proteinu mohou působit jako aktivátory klasické cesty komplementu i C-reaktivní protein, sérový amyloid P a Hagemanův faktor, které se nacházejí v okolí senilních plaků [39].

V průběhu klasické cesty aktivace komplementu dochází k vazbě C1q fragmentu na aktivující molekulu a poté k proteolytickému štěpení C2 a C4 fragmentu. Vzniklý C2aC4b komplex působí jako C3-konvertáza a po rozštěpení C3 fragmentů vzniká C5-konvertáza. Rozštěpené fragmenty C5b vytvoří komplex se složkami C6, C7, C8 a několika C9 za vzniku membránového komplexu, který zprostředkuje lytický rozpad dané buňky. Jelikož nežádoucí či nadměrná aktivace komplementu může vést k rozsáhlému poškození buněk, je komplementová kaskáda kontrolována plazmatickými a membránovými inhibitory. Klasická cesta aktivace je kontrolována již na počátku C1-inhibitorem, který blokuje aktivaci fragmentu C1. Molekula CD55 neboli DAF protein inaktivuje C3-konvertázu a protein CD59 blokuje závěrečnou fázi tvorby lytického komplexu.

V souvislosti s ACH byla zjištěna zvýšená aktivace komplementu a také nadprodukce mRNA pro jeho jednotlivé složky [9, 39]. Dále bylo prokázáno, že inhibitory komplementové kaskády jako C1-inhibitor nebo CD59 efektivně neblokují nadměrnou aktivaci komplementu u pacientů s ACH [76] a navíc mohou být hladiny CD59 i významně snížené [47]. Membránový lytický komplex pak není efektivně blokován a dochází k nevratnému poškození i plně funkčních neuronů.

Na druhou stranu nelze opomenout studie, které prokázaly, že komplement může mít i neuroprotektivní účinek [7]. Inhibice komplementu u ACH myších modelů vedla k vyšší míře tvorby amyloidních plaků a rychlejší neurodegeneraci [37].  

DYNAMIKA ZÁNĚTLIVÝCH PROCESŮ V ROZVOJI ACH

V preklinické a prodromální fázi ACH dochází nejprve k aktivaci mikroglií jako reakci na ukládání amyloidu a obzvláště v mozkové kůře se začínají tvořit komplexy mikroglie-amyloid. Aktivované mikroglie produkují reaktivní sloučeniny a radikály, které mají usnadnit odstranění amyloidu. Aktivace mikroglií předchází neuronálnímu poškození i patologickým procesům vyvolaným hyperfosforylací tau proteinu [67,44]. Kromě mikroglií se v těsném okolí amyloidu začínají objevovat i aktivované astrocyty. Mikroglie i astrocyty postupně produkují kromě reaktivních sloučenin i prozánětlivé a protizánětlivé cytokiny, a udržují tak zánětlivou reakci ve fyziologické rovnováze. V prodromálním stadiu rozvoje ACH dochází kromě benefitního zánětlivého procesu, který má napomoci odstranění kumulujícího se amyloidu, i k reparativním procesům. Tyto reparativní procesy mají eliminovat případné trvalé poškození mozkové tkáně volnými radikály a mají zajistit plnou obnovu její funkčnosti. Bylo prokázáno, že dochází ke zvýšené expresi genů kódujících buněčnou proliferaci a diferenciaci, dále pak genů pro adhezivní molekuly a enzymů účastnících se syntézy prostaglandinů [6].

V průběhu progrese demence ACH typu se již uplatňuje zejména zánětlivý proces a postupně dochází k aktivaci všech typů mozkových buněk. Mozek se snaží lokální zánětlivou reakcí o izolaci a odstranění patologických depozit amyloidu. Reparační mechanismy, stejně jako produkce protizánětlivých cytokinů, jsou utlumeny. Jednotlivé buňky produkují především prozánětlivé mediátory, cytokiny a také složky komplementu. Buňky CNS mají schopnost produkovat jednotlivé složky komplementu, ale pouze neurony mají v omezené míře schopnost produkovat jeho inhibitory. Produkce inhibitorů se již však nezvyšuje, nebo je dokonce snížena, a není tak možné zabránit masivní destrukci nervových buněk [47, 71, 76].

Kromě vzájemné potenciace aktivovaných mozkových buněk a lytické aktivity komplementu se při rozvoji demence při ACH v patofyziologii uplatňuje zánětem poškozená mozková tkáň v okolí amyloidu. V důsledku zánětu a poškození radikály totiž dochází ke změně antigenicity nervové tkáně, k zahájení imunitní odpovědi a silnému prohloubení a rozšíření zánětlivého procesu. Tato silná imunitní odpověď může mít za následek další funkční poškození mozku. Navíc aktivace velkého počtu mikroglií a astrocytů může vést k porušení celkové antioxidační rovnováhy a k přímému poškození mozkové tkáně vzdálené od ohniska zánětu volnými radikály a reaktivními sloučeninami [23, 40].

MODULACE IMUNITNÍ ODPOVĚDI JAKO TERAPEUTICKÝ CÍL

Vzhledem k těsnému spojení aktivace imunitní odpovědi a patogeneze ACH se stal imunitní systém mozkové tkáně a jeho modulace lákavým a nadějným terapeutickým cílem. Existuje celá řada nesteroidních protizánětlivých preparátů, jako například prednison, hydroxychlorochinon, simvastatin, atorvastatin, rosiglitason či aspirin. Bohužel u žádné z těchto látek nebyl prokázán terapeutický účinek a významné zlepšení kognitivních funkcí u pacientů v prodromální fázi ACH [40]. V rámci nedávné klinické studie byly testovány preparáty celecoxib a naproxen. Ačkoliv musela být studie předčasně ukončena kvůli zvýšenému riziku kardiovaskulárních komplikací u některých skupin léčených celecoxibem, u naproxenu byl pozorován mírný protektivní účinek u asymptomatických pacientů v prodromální fázi ACH [10].

Byla provedena i studie na testování účinnosti intravenózně podávaného imunoglobulinu IVIg pacientům v prodromální fázi ACH. Předpokladem pro úspěšnost této léčby bylo, že směs IVIg obsahuje protilátky proti Aβ, které by mohly snižovat míru tvorby amyloidních plaků [15] a navíc vykazuje silný protizánětlivý účinek [4]. I přes nadějné výsledky v preklinickém testování na myších modelech ACH [36, 62] se bohužel ani tato možnost neukázala jako efektivní v léčbě pacientů s ACH. Předpokládá se, že neúspěšnost podávání IVIg pro zlepšení kognice u pacientů v prodromální fázi ACH byla způsobena pozdním zahájením terapie [68].

ZÁVĚR

Výsledky dosavadních výzkumů ukazují na významnou roli zánětu v patofyziologii ACH ve všech stadiích onemocnění. Stávající informace zatím nedovolují jednoznačně určit, zda je zánět prvotním impulzem k ukládání Aβ a hyperfosforylovaného tau proteinu, či zda je spíše důsledkem negativně pozměněného metabolismu.

Z dosavadních údajů se zdá, že všechny dosud popsané systémy účastnící se vzniku a rozvoje ACH se vzájemně komplexně ovlivňují a doplňují a že imunitní reakce v CNS může v určitých situacích působit neuroprotektivně a v jiných situacích výrazně patologicky. Ačkoliv doposud navrhované strategie léčebných prostředků u ACH zasahujících do imunitního systému selhaly, nebo jsou výsledky provedených studií nejednoznačné, velkou měrou přispěly k hlubšímu pochopení patologických procesů při vzniku a rozvoji ACH. Stejně tak vymezily nepopiratelnou úlohu zánětlivého procesu a pozměněné imunitní odpovědi v mozkové tkáni při zhoršování kognitivního výkonu, a proto i budoucí testovaná léčiva budou pravděpodobně obsahovat protizánětlivé složky.

Poděkování

Ráda bych poděkovala MUDr. M. Vyhnálkovi, Ph.D., z Neurologické kliniky FN Motol za cenné rady a připomínky k textu.

Do redakce došlo dne 29. 6. 2015.

Adresa pro korespondenci:

Mgr. Zuzana Chmátalová

Ústav lékařské chemie a klinické biochemie 2. LF UK a FN v Motole

Plzeňská 221

156 06 Praha 5

e-mail: zuzana.chmatalova@seznam.cz