Neuroprotective and regenerative actions of GDNF and neurturin on nigral dopamine neurons in rat models of Parkinson’s disease – Prospects for clinical use of neurotrophic factors in neurodegenerative disorders

Abstract

Parkinson’s disease is characterized by progressive degeneration of the nigrostriatal dopamine system, which results in tremor, rigidity, akinesia and postural abnormalities. New therapeutic strategies are aimed at halting the neurodegenerative process or restoring the system by transplantation of fetal dopamine neurons. We have investigated the potential of the neurotrophic factors glial cell line-derived neurotrophic factor (GDNF) and neurturin (NTN) to (1) protect nigral dopamine neurons and induce functional recovery in adult lesioned dopamine neurons and (2) enhance survival, fiber outgrowth and function of transplanted fetal dopamine neurons. Intrastriatal administration of the dopamine neuron specific toxin 6-hydroxydopamine results in a progressive and partial degeneration of the nigrostriatal dopaminergic system (similar to Parkinson’s disease), which render it suitable for studies of neuroprotection, regeneration and functional recovery. GDNF, was able to completely or near-completely protect the nigral dopamine neurons when given over the substantia nigra, into the striatum or intracerebroventricularly (ICV) early after the 6-hydroxydopamine lesion. We also observed that the retraction of nigrostriatal fibers was partially prevented by GDNF administered into the striatum or ICV. The effect of NTN was more moderate with partial protection after intrastriatal injections while ICV administration was uneffective. GDNF was also able to induce regeneration of DA fibers in the striatum and the globus pallidus after intrastriatal injections but the site and magnitude of this response was variable. The lesion produced deficits in both spontaneous and drug-induced behavioral tests. Functional recovery could be obtained by intrastriatal GDNF administration but only when the striatal dopamine innervation was increased. Thus GDNF and NTN are potent neurotrophic factors for the lesioned nigrostriatal dopamine neurons. Sustained administration of GDNF and NTN to fetal dopamine neurons grafted to the striatum of rats with complete unilateral 6-hydroxydopamine lesions, resulted in a marked 1.6-1.9-fold increase in the number of surviving dopamine neurons. GDNF was also found to enhance the fiber outgrowth and function of the transplant. The results indicate that addition of these neurotrophic factors can improve the efficacy of fetal dopamine neurons transplants in patients with Parkinson’s disease.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Tillväxtfaktorer kan förbättra cellöverlevnad och funktion i djurmodeller av Parkinson’s sjukdom.



En av de vanligaste sjukdomarna i nervsystemet är Parkinson’s sjukdom. Den uppkommer genom att man gradvis förlorar en viss grupp av nervceller som använder signalsubstansen dopamin, vilket i sin tur leder till brist på dopamin i målområdet i hjärnan, striatum. Detta resulterar i karaktäristiska rörelse-symtom såsom skakningar, stelhet och rörelsefattigdom. Den huvudsakliga behandlingen idag, går ut på att kompensera dopaminbristen genom tillförsel av ett dopamin-liknande ämne, l-dopa, som sedan omvandlas till dopamin i hjärnan. Detta förhindrar dock inte den fortsatta förlusten av de dopamin-producerande nervcellerna. Nya behandlingstrategier riktas därför mot att ersätta den förlorade dopamin-produktionen genom transplantation av friska dopamin-nervceller till målområdet, eller att bryta sjukdomsprocessen på ett tidigt stadium innan symtomen förvärras. Metoden med transplantation av nervceller har visat bra behandlingsresultat hos patienter med Parkinson’s sjukdom, men begränsas kraftigt av att överlevnadsgraden hos transplanterade celler är låg. Ämnen som förbättrar överlevnaden och funktion hos transplantaten skulle därför göra metoden mer användbar. Arbetet med att finna sätt att bryta sjukdomsprocessen har ännu inte fått fäste i klinisk praxis kanske framför allt beroende på att inte har funnits ämnen som varit riktigt lämliga kandidater, men också på grund av svårigheter att på ett säkert sätt tillföra dessa till hjärnan under en längre tid. Så kallade tillväxtfaktorer, vilka är kroppsegna ämnen som svarar för att upprätthålla en rad olika funktioner bland annat hos nervceller, har visat sig kunna förhindra celldöd och förbättra funktionen hos dessa efter olika typer av skador. Två nyligen upptäckta tillväxtfaktorer, GDNF och neurturin, har i cellodling visat sig kunna förbättra överlevnaden och funktionen just hos de dopamin-producerande nervcellerna. Mot denna bakgrund har syftet med min avhandling varit att i försöksmodeller av Parkinson’s sjukdom hos råtta studera:



1. Om tillförsel av GDNF och neurturin kan förhidra celldöd hos dopamin-nervceller i djurmodeller av Parkinson’s sjukdom.



2. Om GDNF och neurturin kan stimulera återväxt av nya nervfibrer i det skadade målområdet.



3. Om man med hjälp av tillväxtfaktorerna kan återfå funktion i dopamincellerna så att man förbättrar den av skadan nedsatta rörelseförmågan.



4. Om man genom att injecera GDNF eller neurturin under en tid efter transplantation av nya nervceller kan förbättra överlevnaden och funktionen hos transplantaten.



Eftersom djur inte naturligt drabbas av Parkinson’s sjukdom har vi använt en försöksmodell där ett specifikt cellgift, 6-hydroxydopamin, som pga sina egenskaper selektivt tas upp i dopamin-neuron och skadar/dödar dessa, injecerats i målområdet. Detta leder sedan till en utdragen förlust av dopamin-celler (som vid Parkinson’s sjukdom) och nedsatt rörelseförmåga som kan mätas i olika tester. Vi fann att GDNF kan blockera 90-100% av förlusten av dopamin-neuron om det ges vid upprepade tillfällen med början efter 6-hydroxydopamin skadan. Ges endast en injektion skyddar man fortfarande en del dopamin-celler men inte i samma utsträckning som med flera injektioner. Detta betyder att man kan behöva ge substansen under en längre tid eftersom sjukdomsförloppet vid Parkinson’s sjukdom är utdraget. Neurturin kunde också skydda de skadade nerv-cellerna men inte i samma utsträckning som GDNF. Om GDNF injecerades i målområdet under en period efter att skadan utvecklats, så fann vi återväxt av nya nervtrådar till det skadade området och detta resulterade i att GDNF-behandlade djur hade nomaliserad rörelseförmåga. Däremot var återväxten av fibrer endast marginell om skadan var mer utbredd och vi såg då heller ingen förbättrad rörelseförmåga. Detta tyder på att man kan få återväxt av nya nervtrådar, troligen från både skadade och kvarvarande intakta nervceller, men att denna är otillräcklig om det finns för lite dopamin-fibrer kvar i målområdet och från vilka nervtrådar kan växa ut. Vi har sålunda experimentellt kunnat visa att GDNF och neurturin är mycket kraftfulla faktorer för att motverka celldöd och funktionsförluster i en modell av Parkinson’s sjukdom.



Friska dopamin-neuron från foster visade sig överleva betydligt bättre om de tillfördes GDNF eller neurturin under den närmsta tiden efter transplantationen. Dessutom fann vi en bättre fiberutväxt och funktion hos GDNF-behandlade transplantat. Det som är särskillt uppmuntrande med våra resultat är att överlevnaden är förbättrad utöver det som har visats för goda transplantat utan tillsatser av överlevnadsfaktorer. Våra resultat visar att användandet av GDNF eller neurturin påtagligt kan förbättra effekten av transplantation av dopamin-celler till patienter med Parkinson’s sjukdom. Det kan också ge möjlighet för fler transplantationer eftersom man kan minska mängden vävnad som behövs per transplantation.

• author: Rosenblad, Carl
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Professor Olson, Lars, Dept. of Neuroscience, Karolinska Institute, Stockholm
• organization: Neurobiology (research group)
• publishing date: 1999
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Neurosciences
• keywords: neurophysiology, neuropsychology, Neurology, striatum, substantia nigra, dopamine, GDNF, neurturin, sprouting, neuroprotection, forelimb akinesia, rotation, tyrosine hydroxylase, transplantation, Neurologi, neuropsykologi, neurofysiologi
• pages: 144 pages
• defense location: Segerfalksalen, Wallenberg Neuroscience Center
• defense date: 1999-06-05 09:15:00
• external identifiers: other:ISRN: LUMEDW/MEFN--1025--SE
• ISBN: 91-628-3518-1
• language: English
• LU publication?: yes
• id: a5b1802f-a127-4433-a4f2-5d2fd511e5a0 (old id 39661)
• date added to LUP: 2016-04-04 10:12:01
• date last changed: 2018-11-21 20:57:24