Volgens een nieuwe studie kan een instrument om de gezondheid van mitochondria in neuronen te testen leiden tot nieuwe ALS-therapieën

Een team van wetenschappers aan het Scripps Research Institute heeft een nieuw instrument ontwikkeld om te zoeken naar geneesmiddelen om neurodegeneratieve ziektes die verband houden met problemen met mitochondria, waaronder amyotrofische laterale sclerose (ALS), mogelijk te behandelen. Dat staat in een nieuwe studie.

Dit instrument kan duizenden potentiële geneesmiddelen screenen door de gezondheidstoestand van de mitochondria (de energiebron van cellen) in neuronen rechtstreeks te meten. Een testscreening van 2.400 samenstellingen leidde tot de vaststelling dat verscheidene daarvan in staat zijn de gezondheidstoestand van mitochondria te verbeteren, en deze cellulaire energiebronnen te beschermen tegen schade die met ziekte is geassocieerd.

De studie draagt de titel ‘Neuron-based high-content assay and screen for CNS active mitotherapeutics’ (‘Een op neuronen gebaseerde test en screening met hoge inhoud voor actieve mitotherapie van het CZS’) en verscheen in Science Advances.

Mitochondria zijn minuscule, gespecialiseerde structuren die cellen voorzien van de meeste van hun energie door zuurstof en voedingsstoffen om te zetten in chemische energie in de vorm van adenosine trifosfaat (ATF). Men gaat er steeds meer van uit dat mitochondriale schade in neuronen een belangrijke rol speelt bij neurodegeneratieve ziektes als ALS, Alzheimer en Parkinson.

Vele van de genen die verband houden met ALS spelen een rol bij het functioneren van de mitochondria en studies met ziektemodellen en patiënten impliceren mitochondriale schade als een sleutelcomponent van ALS.

“Hoewel het niet erg wordt benadrukt in de zoektocht naar effectieve therapieën, is mitochondriaal falen een kenmerk van veel neurodegeneratieve aandoeningen en een factor die moet worden gecorrigeerd om ervoor te zorgen dat neuronen overleven”, zegt Ronald Davis, PhD, van het Scripps Research Institute in Florida, en hoofdauteur van de studie, in een persbericht. “Ik geloof dan ook rotsvast dat we deze ziektes kunnen bestrijden met behulp van moleculen die mitochondria beschermen.”

Om nieuwe geneesmiddelen te vinden om de schade te herstellen moeten duizenden experimentele samenstellingen worden getest — een proces dat gekend is als screening met hoge inhoud — om zodoende samenstellingen te identificeren met het beste potentieel om uit te groeien tot medicijnen.

Als eerste stap in het screeningproces worden meestal op cellen gebaseerde systemen gebruikt. Daarna worden de beste kandidaat-geneesmiddelen verder onderzocht met behulp van dierenmodellen en mensen. Omdat echter culturen van neuroncellen moeilijk in stand te houden zijn, gebruiken de huidige screeningsystemen, die zijn ontworpen om de mitochondriale functie te testen, cellen van buiten de hersenen.

Davis en zijn team losten dit probleem op door een systeem te ontwikkelen dat gecultiveerde neuronen gebruikt uit muizenhersenen, die zodanig gekweekt zijn dat duizenden samenstellingen tegelijkertijd kunnen worden getest.

De mitochondria in deze neuronen zijn gelabeld zodat ze gloeien als ze worden blootgesteld aan fluorescent licht. Er worden microscopische beelden verzameld en geanalyseerd om het aantal mitochondria, hun vorm (die klein en rond wordt wanneer ze het laten afweten), en andere metabolische merkers van de mitochondriale gezondheidstoestand vast te stellen.

Om het systeem te valideren, screende het team 2.400 samenstellingen, waarvan er vele bestaande geneesmiddelen zijn. Ze vonden daarbij 149 ‘scorende’ samenstellingen, die ofwel het aantal mitochondria verhoogden, ofwel ze langer maakten, ofwel hun metabolische functie verbeterden.

De tweede screening bracht het aantal bevestigde samenstellingen terug tot 67, zogenoemde modulatoren van neuronale mitostase (MnMs). Daarvan verhoogden er 32 de mitochondriale verlenging, verhoogden er 45 het aantal mitochondria in neuronen, en verbeterden er 33 de mitochondriale gezondheidstoestand. Daarenboven bleken 61 van de bevestigde samenstellingen rechtstreeks de metabolische functie te verbeteren, waaronder een significante verhoging van de ATF-productie.

Om uit te vissen of deze screeningmethode kon worden gebruikt voor de ontdekking van therapieën, werden neuroncellen die werden gecultiveerd met en zonder MnMs blootgesteld aan drie stressfactoren waarvan gekend is dat ze mitochondria beschadigen: toxisch A-beta(1–42) oligomeren, peroxide, en overmatige hoeveelheden van de neurotransmitter glutamaat.

In cellen die niet werden behandeld met MnMs waren de mitochondria ernstig beschadigd door alle drie de stressfactoren. Mitochondria in cellen die waren behandeld met MnMs, bleken daarentegen beschermd tegen schade. Globaal gezien boden zeven MnMs volledige bescherming tegen ten minste één van de drie stressfactoren.

Eén van de MnMs was dyclonine — dat we terugvinden in keelzuigtabletten die dienst doen als verdovingsmiddel. Het werd gekozen voor verdere analyse omdat het in staat is de ATF-productie te verhogen en het functioneren van zenuwcellen te verbeteren.

Er werd een laatste test uitgevoerd om uit te maken of dyclonine, als een vertegenwoordiger van MnMs, de mitochondriale functie wijzigde bij muizen, omdat gecultiveerde cellen mogelijk niet representatief zijn voor een in vivo (levend systeem) omgeving. Muizen die gedurende zeven maanden werden behandeld met dyclonine, dat werd toegevoegd aan hun water, kenden een verbeterde mitochondriale functie in hun neuronen.

“Het blijft een raadsel waarom dyclonine en andere lokaleverdovingsmiddelen zulke effecten hebben op mitochondria in neuronen — we hadden hier zeker niet op geanticipeerd”, zegt Davis. “De samenstellingen die we hebben geïdentificeerd geven ons echter veel hoop dat we gunstige effecten zullen kunnen vaststellen als we ze uittesten op dierenmodellen van specifieke neurodegeneratieve ziektes, zoals we nu al tekenen in die richting vaststellen.”

“Bij toekomstige studies zal onder andere de identificatie van moleculaire doelwitten betrokken zijn voor deze belangrijke groep van kleine moleculen, en het testen van hun efficiëntie in vivo en bij dierenmodellen van ziektes”, zo besluiten de wetenschappers.

Vertaling : Bart De Becker

Bron : ALS News Today