På väg mot minskad cell-stress

En extra kopia av kromosom 21 med dess specifika gener, liksom en extra kromosom vilken som helst, bidrar båda till ökad cell-stress. Cell-stressen påverkar utveckling, kognition, hälsa och åldrande. Det är visat i studier på celler med Trisomi 21 och på DS-möss att flera ämnen och mediciner kan minska cell-stressen. Mer forskning och kliniska studier för personer med Downs syndrom behövs.

Downs syndrom – ett mitokondriellt syndrom

Mitokondrier är små organeller i cellen. Deras viktigaste funktion är att överföra energin i socker till molekylen ATP, som i sin tur kan avge energin till cellens olika processer. Hos personer med Downs syndrom så läcker det elektroner och syre (reaktiva syreföreningar) i den här energiomvandlingen vilket leder till oxidativ stress och att mindre ATP bildas.

Den klassiska definitionen av mitokondriella sjukdomar innefattar bara nedsatt funktion i mitokondrierna som är orsakad av mutationer i mitokondriens DNA eller i cellkärnans DNA, och dit räknas inte Downs syndrom. Forskare i Zaragoza som forskar om mitokondriella sjukdomar argumenterar för att Downs syndrom är ett mitokondriellt syndrom:

Flera gener på kromosom 21 påverkar mitokondrierna negativt vid Trisomi 21: APP försvårar transporten in i mitokondrier av proteiner som behövs. Peptider som APP ger upphov till, som beta-amyloid, försämrar funktionen inne i mitokondrierna. CBS genererar vätesulfid (H₂S) som hämmar elektrontransportkedjans Komplex IV. PFKL är viktig för balansen mellan glykolys och mitokondriernas produktion av energi. Och DYRK1A, RCAN1, NRIP1, BACH1, och PKNOX1 dämpar PPARGC1A/PGC-1A som styr mitokondriernas förökning.

Många symptom som ska föranleda utredning av mitokondriell sjukdom förekommer också i Downs syndrom, som nedsatt tarmmotorik, låg muskeltonus, eller epilepsi. Och många icke-specifika symptom som är vanliga vid mitokondriell sjukdom förknippas även med Downs syndrom, som kort kroppslängd, hörselnedsättning, intellektuell funktionsnedsättning, hypotyroidism, synnedsättning, hjärtkomplikationer, och autism.

Dessutom så uppträder den nedsatta funktionen i mitokondrierna tidigt vid Downs syndrom – redan hos tidiga foster med Trisomi 21.

Forskarna lyfter fram att det finns flera naturliga och syntetiska ämnen som kan stimulera mitokondriernas förökning och förbättra deras funktion genom att aktivera PGC-1A. Det kan också ske indirekt genom att minska uttrycket av de gener som hämmar PGC-1A.

Studier i celler med Trisomi 21 har visat att EGCG, metformin, apigenin och pioglitazone förbättrar mitokondriernas funktion. EGCG förbättrar också nervcellsutvecklingen och minskar uttrycket av DYRK1A. Metformin minskar uttrycket av NRIP1.

Studier på DS-möss har visat att EGCG, apigenin och SSRI förbättrar mitokondriernas funktion, nervcellsutvecklingen och kognitiva förmågor. Resveratrol har förbättrat mitokondriernas funktion och nervcellsutvecklingen. Kurkumin förbättrade mitokondriernas funktion och nervcellsutveckling hos DS-musungar om de fick det före födseln. Omega-3 och kolin förbättrar nervcellsutveckling och kognitiva förmågor. Omega-3 minskar också uttrycket av RCAN1.

Forskarna i Zaragoza ser mycket goda skäl att lägga mer resurser på pre-kliniska studier i celler och djur med målet är att kunna behandla mitokondrierna hos foster med Trisomi 21, och därigenom påverka nervcellsutvecklingen för en signifikant bättre kognitiv förmåga. Det finns flera naturliga ämnen och godkända mediciner som kan stimulera förökningen av mitokondrier genom att antingen minska nedregleringen av PGC-1A eller genom att aktivera PGC-1A.

Proteinsyntesen stressar cellkärnans membran

Forskare i USA, Tyskland och Argentina har undersökt på vilket sätt en extra kromosom påverkar celler. Trisomier ger celler sämre livskraft, förändrad metabolism, genom-instabilitet, och en proteinreglering (proteostas) ur balans. Forskarna har visat i jästceller att cell-volymen ökar med en extra kromosom, och att volymökningen i cellkärnan korrelerade både med antalet gener på den extra kromosomen, och med ökningen av cell-volymen. Forskarna visade också att cellkärnans form var oregelbunden hos en stor andel celler. Celler utan extra kromosomer har runda och släta cellkärnor. Oregelbunden form på cellkärnan förknippas med åldrande, såväl sjukligt åldrande som naturligt åldrande. Den oregelbundna formen på cellkärnor med en extra kromosom kan kanske förklara en del egenskaper som är förknippade med trisomier.

Jästceller utan (WT), med (Dis VII), med ännu mer (Dis XIV) extra kromosommaterial. Bild från: Suppressing Aneuploidy-Associated Phenotypes Improves the Fitness of Trisomy 21 Cells. DOI:10.1016/j.celrep.2019.10.059

Formen på cellkärnan blir oregelbunden oavsett vilken extra kromosom den bär, så länge det inte är en könskromosom. En X-kromosom innehåller mer DNA än många av de autosomala kromosomerna, men en extra X-kromosom påverkar ändå inte cellkärnans form. Genuttrycket på en extra X-kromosom tystas av XIST. Forskarnas hypotes är att det är aktiviteten i den extra kromosomen, det extra genuttrycket och maskineriet runt det, som påverkar cellkärnans form.

En metabol bana som påverkas av en extra kromosom hos både jäst och människor är biosyntesen av sfingolipider. Sfingolipider bildar membran. Forskarna har sedan tidigare identifierat flera mutationer i jästceller som får cellerna med en extra kromosom att fungera bättre. Mutationerna påverkar regleringen av de enkla sfingolipiderna, sfingosin och ceramid.

Mutationer som hindrade omvandlingen från sfingosin till ceramid ökade mängden sfingosin och cellernas funktioner förbättrades. Mutationer som hindrade omvandlingen av sfingosin mot fosfatidyletanolamin ökade också mängden sfingosin utan att påverka nivåerna av ceramid, och förbättrade cellernas funktioner.

Forskarna prövade att mata cellerna med extra sfingosin, men det ledde till inte till någon förbättring. För celler utan extra kromosomer så ledde det till ökad mängd ceramid så att cellkärnans membran blev större och deformerat. Forskarnas slutsatser är att det är mer sfingosin som behövs, men inte mer ceramid, och att det måste ske genom cellernas egen nybildning av sfingosin med dess reglerande mekanismer.

Genom mätningar av cellkärnan respektive hela cellen så uppskattar forskarna att 50% av cellens sfingosin finns i cellkärnan, mot bara 4% av cellens ceramid. Det tyder på att ceramid snabbt transporteras ut ur cellkärnan. De mutationer som ökade mängden sfingosin påverkade inte nivåerna av ceramid i cellkärnan.

Genom mätningar har forskarna konstaterat att i jästceller med mutationer som ökar mängden sfingosin så fluktuerar cellkärnans membran mer. Sfingosin gör cellkärnans membran mer dynamiskt och följsamt.

Jästceller med en extra kromosom är beroende av och har högre nivåer av både sfingosin och ceramid i cellkärnan. Men nivån av sfingosin räcker inte till. Mutationer som ökar nivån av sfingosin utan att öka nivån av ceramid förbättrar cellernas funktioner och livskraft.

Nybildning av sfingolipider och ceramid fungerar lika i jästceller och i människoceller, men i människoceller kan också ceramid brytas ned till sfingosin. När forskarna stoppade nybildningen av sfingosin i mänskliga celler utan någon extra kromosom, fick cellkärnorna oregelbunden form och minskad volym. När cellerna matades med extra sfingosin blev cellkärnans membran större och formen oregelbunden. Nybildning av sfingosin krävs alltså även i mänskliga celler för att bevara cellkärnans integritet.

Sfingosin är basen för sfingolipider. När sfingosin kopplas ihop med en fettsyra bildas ceramid, vilket är första steget mot att bilda mer komplexa sfingolipider (från Wikimedia).

Forskarna jämförde celler från två personer med Trisomi 21 och två personer utan trisomi. I 98% av kontrollcellerna hade cellkärnorna en slät och rund eller elliptisk form. I cellerna med T21 var det bara 40-50% som hade det. I 40-45% av T21-cellerna hade cellkärnorna en svagt oregelbunden form, och 15-20% hade en kraftigt oregelbunden form. Oregelbunden form på cellkärnan är ett kännetecken för progeroida syndrom (som innebär tidigt åldrande). Det är möjligt att cellkärnor med oregelbunden form bidrar till tidigt åldrande hos personer med Downs syndrom.

Celler från personer utan och med T21. Bild från: Suppressing Aneuploidy-Associated Phenotypes Improves the Fitness of Trisomy 21 Cells. DOI:10.1016/j.celrep.2019.10.059

Forskarna behandlade cellerna med mycket små mängder fumonisin B1, ett gift som hindrar ceramidsyntas från att omvandla sfingosin till ceramid. Detta höjde nivåerna av dihydro-sfingosin i T21-cellerna, vilket visar att det var nybildningsprocessen som fått bättre utfall. Formen på cellkärnorna förbättrades signifikant. Kontrollcellerna påverkades minimalt. Forskarna prövade också att hindra omvandlingen av sfingosin till fosfatidyletanolamin med hjälp av SKI-II. Även detta förbättrade cellkärnornas form signifikant, med minimal påverkan på kontrollcellerna. Behandling med Ceramid hade ingen effekt på cellerna. I celler från personer med Trisomi 13 (Pataus syndrom) och Trisomi 18 (Edwards syndrom) hade upp till 60% av cellerna cellkärnor med oregelbunden form. Behandling med fumonisin B1 eller SKI-II hade en positiv effekt även på dem. När man prövade samma behandlingar på celler från personer med Progeria så fungerade de däremot inte.

Forskarna mätte hastigheten i celldelningen i celler med T21, T18 och T13. Utan behandling är den långsammare än i celler utan trisomi. Med fumonisin B1-behandling så ökade hastigheten signifikant i alla tre trisomier. En oregelbunden form på cellkärnan kopplas därför till nedsatt funktion i celldelningen.

Forskarna undrade om Trisomi 21 påverkar cellkärnans form också i andra celltyper än bindvävsceller. I astrocyter från fyra personer fann de exempel på cellkärnor med oregelbunden form. Detta tyder på att cellkärnans integritet kan vara påverkad i många celltyper och vävnader vid Trisomi 21.

Celler med oregelbunden form på cellkärnan ökar också i vanligt åldrande. Åldrande celler samlar på sig mutationer och kromosomavvikelser. Vid neurodegenerativa sjukdomar ser man ökad förekomst av kromosomavvikelser, och både plack och oregelbunden form av cellkärnan är kännetecken på neurodegeneration. Forskarna föreslår därför att ackumulerade kromosomavvikelser bidrar till nedbrytningen av cellens funktion i vanligt åldrande, och att processen är accelererad hos personer med Downs syndrom på grund av den extra kromosomen.

En extra kromosom stör cellkärnans form på grund av otillräckliga nivåer av sfingosin. En ökning av mängden sfingosin är fördelaktig för celler från personer med Downs syndrom. Behandling inriktad mot biosyntesen av sfingolipider är en viktig strategi för att minska effekten på cellkärnan av en extra kromosom.

Kolin behövs för cellmembran, acetylkolin och epigenetisk reglering

Kolin bildar fosfolipider som bygger upp cellmembran. Membranen fungerar också som lager av kolin för att bilda signalsubstansen acetylkolin. Kolin bidrar även till cellens epigenetiska reglering.

Forskare i New York har tidigare visat att ungarna till DS-möss (Ts65Dn) som fått kolin-tillskott under dräktighet och diande, får ett ökat antal, högre täthet och större storlek av kolinerga neuroner, och uppvisar bättre kognitiva förmågor. I sin senaste studie så undersökte forskarna de långsiktiga effekterna av tidiga kolintillskott på celler som är mycket sårbara för Alzheimers sjukdom – pyramidalcellerna i hippocampus CA1.

Det tidiga kolintillskottet påverkade genuttrycken i pyramidalcellerna både när ungarna blivit unga vuxna, och när de blivit medelålders med nedbrytning av kolinerga nervceller i basala framhjärnan. Flera hundra gener hade ett förändrat uttryck, och bland dem var det 53 gener vars uttryck påverkats signifikant och i samma riktning av kolintillskott hos både DS-möss och vilda möss, vid 6 månaders ålder och vid 11 månaders ålder. De flesta av dessa 53 gener kopplas till fem funktionella klasser som är särskilt viktiga för Downs syndrom: GABA_A-receptorer, inlärning/minne/kognition, fosfatas/kinas-aktivitet, apoptotisk celldöd, samt endosom/lysosom/autofagi.

Forskarna sammanfattar att tillskott av kolin under utvecklingsperioden ger livslånga fördelar för musungarna i celler som är mycket sårbara för Alzheimers sjukdom – pyramidalcellerna i hippocampus CA1.

Hjälp med veckning av proteiner minskar stress och celldöd

Forskare i Japan har visat att den ökade transkriptionen och proteinsyntesen i bindvävsceller från alla de tre mänskliga trisomierna 13, 18 och 21 leder till ackumulering av hoptrasslade proteiner. De har också visat att den syntetiska chaperonen och särläkemedlet natriumfenylbutyrat (4-PBA) hjälpte proteinerna att vecka sig på rätt sätt så att de inte trasslar ihop sig. I sin senaste studie har de visat att nervceller med Trisomi 21 och Trisomi 13 visar samma tecken på stress, ackumulering av felveckade proteiner och ökad celldöd som bindvävsceller. Den kemiska chaperonen 4-PBA minskade effektivt ansamlingen av hoptrasslade proteiner också i nervceller och förebyggde utvecklingen mot celldöd.

Cellens städfunktioner – nedbrytning och återvinning

Nedbrytning av proteiner sker i cellens proteasomer och lysosomer. Proteasomen bryter ned de kortlivade proteinerna och felveckade proteiner. Lysosomen bryter ned större proteinkomplex, organeller och bakterier. Nedbrytning och återvinning i lysosomen kallas autofagi: först identifieras och märks molekylen som skall brytas ned, sedan bildas en kapsel runt den som kallas för en autofagosom. Autofagosomen förenas sedan med lysosomen, där nedbrytningen och återvinningen sker.

mTOR är en proteinkinas som avgör om cellen ska vara i tillväxtläge eller i återvinningsläge. mTOR känner av om det finns gott om mat och ökar då produktionen av nya proteiner. Samtidigt stoppas autofagin. Blir det ont om resurser så bromsas proteinsyntesen och återvinning startar igen. Även när mTOR är aktiv kan autofagin triggas av proteinkinasen AMPK, som reagerar vid brist på energi genom kvoten AMP/ATP. Vid Downs syndrom så är mTOR hyperaktiverad, och autofagin begränsad.

Nässpray med Rapamycin fick i gång autofagi och insulinsignalering

Vid Alzheimers sjukdom så är energiomsättning, mTOR-signalering och proteostasen förändrade. Forskare i Rom, Santiago och Kentucky beskriver dessa ömsesidiga förändringar som en ond cirkel, och tror att den förstärks av oxidativ stress. Hyperaktivering av mTOR minskar bildningen av autofagosomer, ökar oxidativ stress och ackumulering av oxiderade proteiner. Oxidativ stress och mTOR påverkar varandra på flera olika sätt och samspelet är komplicerat med både feedback- och forward-kopplingar.

Forskarna har visat att mTOR är hyperaktiverad i hjärnan hos personer med Downs syndrom, såväl hos personer under 40 år som inte utvecklat Alzheimer-patologi som hos personer med DS och Alzheimers. DS-möss (Ts65Dn) har också hyperaktiverad mTOR och forskarna prövade att behandla dem 3 gånger per vecka i 12 veckor med Rapamycin som dämpar mTOR. Mössen var 6 månader när behandlingen startade, motsvarande ”unga vuxna”.

Behandlingen med Rapamycin i nässpray (InRapa) ledde till att mTOR-aktiveringen minskade till normala nivåer och att insulinsignalering och autofagi kom i gång. Nivåerna av APP och dess peptider minskade, hyperfosforylering av Tau minskade, och markörer för oxidativ stress minskade. Hippocampus-beroende förmågor förbättrades hos mössen.

Forskarnas hypotes var att nedregleringen av mTOR också skulle leda till mindre oxidering och minskad ackumulering av skadade proteiner i frontalloben. HNE är en markör för lipidperoxidering och med hjälp av den så fann forskarna proteiner där skadorna minskade av InRapa-behandlingen. Bland de proteinerna lyfter forskarna fram två med koppling till Alzheimers som särskilt viktiga: ARG-1 och PP2A.

Forskarnas slutsats är att nässpray med Rapamycin representerar en värdefull behandlingsstrategi för att minska den tidiga utvecklingen mot Alzheimers sjukdom hos personer med Downs syndrom.

Behandling med AZD8055 räddade mitofagin

De fria syreradikaler som uppstår i mitokondrierna skadar först mitokondrierna själva. Skadade mitokondrier ska brytas ned och återvinnas genom s.k. mitofagi. När en mitokondrie slutar fungera ordentligt så ansamlas PINK1 på mitokondriens yttre membran. Detta blir en signal till PARKIN att tagga mitokondrien med ubikvitin, vilket betyder att mitokondrien skall omslutas av en autofagosom och transporteras till lysosomen för nedbrytning.

Forskare i New York, Rom och Madrid undersökte bindvävsceller från personer med Downs syndrom. De fann att alla transkriptionsfaktorer som behövs för förökning av mitokondrier var nedreglerade. Trots detta hade cellerna en signifikant ökad massa av mitokondrier. Cellerna hade ackumulerat skadade mitokondrier och hade höga nivåer av reaktiva syreföreningar. Det tyder på att mitofagin inte fungerar. Vidare så fann forskarna att cellerna hade 60% lägre nivåer av PARKIN än kontrollceller. Utöver att själva initieringen av mitofagi fungerade dåligt, så visade forskarna också att mTOR var hyperaktiverad i bindvävscellerna, vilket minskade uttrycket av de gener som behövs för att bilda autofagosomer. Forskarna behandlade cellerna med mTOR-hämmaren AZD8055, för att stärka autofagin och möjligtvis mitofagin. Det visade sig att inhibering av mTOR räddade både autofagin och mitofagin och reducerade den onormala ackumuleringen av skadade mitokondrier,

Inhibering av mTOR komplex 1 och 2 med AZD8055 återställde flödet i autofagin, PINK/PARKIN-initiering av mitofagin, och nedbrytningen av skadade mitokondrier. Forskarna sammanfattar att resultaten pekar ut inhibering av mTOR som en lovande behandlingsstrategi för Downs syndrom.

SNARE-proteiner räddar dockningen till lysosomen

Forskare i Colorado undersökte bindvävsceller från personer med Downs syndrom. Cellerna uppvisade ett långsamt autofagiskt flöde och autofagosomer ackumulerades utan att degraderas. Forskarna jämförde egenskaper hos lysosomerna i DS-celler med kontroll-celler och hittade ingen avgörande skillnad i funktion. pH-nivåerna var lika. Däremot så hade DS-cellerna signifikant lägre nivåer av två SNARE-proteiner som behövs för att autofagosomer skall förenas med lysosomen. När man överförde nukleotider som gav ett temporärt överuttryck av endera av de två SNARE-proteinerna så normaliserades hastigheten i den autofagiska nedbrytningen och kön av autofagosomer reducerades signifikant.

Resultaten pekar på att den långsamma autofagiska nedbrytningen åtminstone till del kan bero på problem med fusionen av autofagosomen och lysosomen, och att detta kan ändras genom ökat uttryck av SNARE-proteinerna. Funktionerna som upprätthåller proteostasen är ett möjligt framtida mål för medicinsk behandling.

Cellstressen bidrar till insulinresistens

Insulin och insulinsignalering påverkas inte direkt av några gener på kromosom 21. Forskare i Barcelona, Madrid och Rom anser ändå att det är relevant att studera hur insulinsignaleringen påverkas av Downs syndrom, eftersom den är central för ämnesomsättningen av glukos, fettsyror och proteinsyntes.

Trisomi 21 medför en förändrad energiomsättning, vilket innefattar bland annat brister i mitokondrierna, oxidativ stress, nedsatt glukos- och lipidomsättning, och låg energiproduktion som ger störningar i cellens funktioner. Den förändrade energiomsättningen verkar ligga bakom den höga förekomsten av metabola störningar vid Downs syndrom, som diabetes, fetma och en högre risk för Alzheimers sjukdom.

I hjärnan påverkar insulinsignaleringen utväxten av neuriter, bildning av dendritutskott, utveckling och underhåll av excitatoriska synapser, uttryck och placering av GABA, NMDA och AMPA-receptorer, synaptisk plasticitet (LTP/LTD), insöndring och upptag av katekolaminer, ligandstyrda jonkanaler, samt motverkar celldöd genom apoptos. Vid insulinresistens så försämras allt detta.

Många faktorer som bidrar till utveckling av insulinresistens i hjärnan har identifierats: ökade nivåer av oxidativ stress, onormal aktivering av mTOR, minskad insulintransport genom blod-hjärn-barriären, okontrollerad aktivering av inflammatoriska processer, ökad mängd betaamyloid-oligomerer, minskning av BVR-A, och störd omsättning av fettsyror.

Alla dessa faktorer förekommer vid Downs syndrom.

Analyser av hjärnvävnad från 16 avlidna personer med Downs syndrom och 14 avlidna personer utan Downs syndrom har visat att insulinresistens utvecklas tidigt i hjärnan hos personer med DS, innan Alzheimer-patologi utvecklas. Insulinresistensen kan bidra till såväl den intellektuella funktionsnedsättningen som till tidig utveckling av Alzheimers sjukdom.

Forskarna anser att det är en viktig utmaning att minska insulinresistensen hos personer med DS med hjälp av tillgängliga mediciner (ex. nässpray med insulin, metformin, GLP1 eller inkretin-analoger) och att identifiera nya behandlingsmål liksom preventiva strategier för att minska metabola störningar och deras bidrag till kognitiva försämringar.

Stress-respons och neurodegeneration

Forskare i Rom har beskrivit kunskapsläget om hjärncellernas försvar mot olika sorters stress vid Trisomi 21, och om molekyler som skulle kunna stärka cellernas motståndskraft genom att minska den oxidativa stressen, hjälpa proteinkontrollen, proteinveckningen eller proteinnedbrytningen.

Oxidativ stress

Hjärnan löper större risk för oxidativ stress eftersom den använder mycket energi, innehåller mindre antioxidant-enzymer, och har gott om fettsyror som kan drabbas av lipidperoxidering.

Flera gener på kromosom 21 bidrar till oxidativ stress hos personer med Downs syndrom: SOD1 omvandlar radikalen superoxid (O₂^–), som läcker från mitokondriernas energiomvandling, till syrgas (O₂) och radikalen väteperoxid (H₂O₂). Väteperoxid ska därefter neutraliseras till vatten av katalas (CAT) eller glutationperoxidas (GPX). Personer med DS har mer SOD1 än CAT/GPX vilket ger ett överskott på väteperoxid (H₂O₂). I hjärnan finns det dessutom mindre CAT/GPX än i andra vävnader. Väteperoxid kan tillsammans med järn eller koppar bilda hydroxyl-radikaler. APP och dess betaamyloid-peptider kan bidra till oxidativ stress genom sin skadliga inverkan på mitokondrierna.

När en cell ska försvara sig mot oxidativ stress så frigörs transkriptionsfaktorn Nrf2 från cellvätskan och tar sig in i cellkärnan där den startar transkription av alla gener som har Antioxidant Response Elements i sin promotor. BACH1 på kromosom 21 binder till ARE-elementen och blockerar dem för Nfr2 så att antioxidantsvaret inte fungerar.

Protein-stress

Cellens kvalitetssystem för proteiner omfattar translationen, veckningen och nedbrytningen av proteiner. När mängden felveckade proteiner ökar i endoplasmatiska nätverket (ER) så triggas Unfolded Protein Response (UPR) som svarar på tre sätt: Mängden ER-membran ökas och där ingår komponenter som chaperoner och proteinmodifierande enzymer, vilka hjälper proteiner att vecka sig korrekt. Märkningen av proteiner för nedbrytning ökas. Dessutom minskas translationen så att mängden nybildade proteiner minskar. Minskningen av translationen sker via PERK (eller PKR) och Integrated Stress Response (ISR). ISR kan också triggas som svar på virus via PKR, brist på aminosyror via GCN2, eller brist på hem via HRI. När translationen begränsas av ISR så prioriteras de proteiner som kan minska den utlösande stressen.

Flera rapporter tyder på att aktiviteten i UPR och ISR är annorlunda vid DS. UPR är konstant aktiverat, och ISR är aktiverat av PKR. Nedregleringen av proteinsyntesen kan ligga bakom problem med synaptisk plasticitet och långtidsminne. Mer forskning återstår för att klargöra hur UPR och ISR triggas vid T21.

Nedbrytning av proteiner sker genom Ubiquitin-Proteasom-Systemet (UPS) eller genom autofagi i lysosomen.

Proteasomen tar hand om 70-80% av protein-nedbrytningen i cellen. En analys av UPS i celler med T21 från frontala hjärnbarken, visade på nedsatt proteolys. En möjlig förklaring kan vara att viktiga komponenter i UPS oxiderats och förlorat sin funktion. Många av dem är märkta med ubikvitin för nedbrytning. På kromosom 21 finns också sex gener som ingår i UPS men det är inte klart vilken effekt den extra kopian har.

Autofagin fungerar sämre vid Downs syndrom. mTOR är tidigt hyperaktiverad i olika celltyper från personer med DS. Hyperaktiveringen av mTOR minskar autofagin. Studier har visat att många komponenter i autofagin är oxiderade vilket också kan bidra till nedsatt funktion.

Molekyler för redox och proteostas i balans

Många prekliniska och kliniska studier av antioxidanter har gjorts för Downs syndrom. De kliniska studierna har visat lovande resultat för kognitionen och generell säkerhet. Trots det har de kliniska studierna ännu inte varit lika bra som de prekliniska, och resultaten är blygsamma. Det kan bero på många saker, exempelvis de antioxidanter som använts, doseringen av dem, för få deltagare, att försöksdjur är genetiskt annorlunda än människor, och att personer med DS är sinsemellan olika. Forskarna redovisar resultaten i prekliniska och kliniska studier av apigenin, koenzym Q10, vitamin E, alfatokoferol, melatonin och EGCG. Forskare i Santander redovisar också resultat för SGS-111 (en analog till piracetam), tropoflavin, resveratrol, kurkumin, GLP-1, pioglitazone och metformin.

Molekyler som hämmar ISR och UPR har visat sig lovande för att minska den negativa inverkan på kognitionen av minskad translation. PKRi räddade långtidsminne och synaptisk plasticitet i DS-möss (TS65Dn). SSRI hämmade PKR i DS-möss (Ts65Dn), vilket förbättrade långtidsminnet. ISRIB återställde proteinsyntesen och förbättrade långtidsminnet i DS-möss (Ts65Dn), GSK2606414 som hämmar PERK återställde proteinsyntesen och minskade den oxidativa stressen i DS-möss (Ts2Cje).

Rapamycin, som hämmar mTOR och därmed ökar autofagin, har förbättrat långtidsminnet hos i DS-möss (Ts1Cje, Ts65Dn) förbättrat insulinsignaleringen, minskat APP och fosforylering av Tau, och minskat oxidering av proteiner i hjärnan på DS-möss (Ts6Dn). Thiamet G hämmar OGA som tar bort en viktig modifiering av proteiner, O-GlcNAcylering. Hos DS-möss (Ts2Cje) som behandlades med Thiamet G så stärktes autofagin. Kolintillskott till dräktiga och diande DS-möss (Ts65Dn) förstärkte ungarnas uttryck av autofagi-gener livslångt. AZD8055 som hämmar mTOR, förbättrade autofagin inklusive mitofagin i bindvävsceller från personer med DS. 

Enligt forskarna så tyder alla dessa resultat på att molekyler som återställer balansen i redox och proteostas kan vända eller fördröja den onda cirkel som leder till neurodegeneration. Jakten på effektiva behandlingsmolekyler för att minska neurodegeneration vid DS har långt kvar, men att rädda redox och proteostasen genom att förbättra cellernas stressrespons är en lovande och strategisk ansats.

Stressfri produktion av energi och proteiner?

Forskare i Neapel beskriver mitokondriernas dynamik och på vilket sätt denna fungerar sämre vid åldrande och hos personer med Downs syndrom. Mitokondriell förökning är en dynamisk process som kan ge variationer i mitokondriernas antal, storlek och massa. Förökningen styrs av koaktivatorn PGC-1A. Starkare uttryck av PGC-1A ökar graden av fusion, ger tätare inre membran och effektivare energiomvandling. En hög grad av fusion stimulerar cellcykeln. PGC-1A bidrar samtidigt till cellens städfunktioner genom att stimulera bildandet av autofagosomer och lysosomer. Ständig växling mellan fusion och fission är en förutsättning för mitokondriernas placering i cellen, deras samarbete, förökning, och selektiva nedbrytning.

Aktivering av proteinkinasen mTOR påverkar uttrycket av PGC-1A, ökar fragmenteringen av mitokondrierna, och stoppar autofagin.

Vid Downs syndrom så är mitokondrierna fragmenterade, de innehåller mindre mängd inre membran, och de både förökas och bryts ned långsamt vilket ökar andelen skadade mitokondrier och oxidativ stress. Uttrycket av PGC-1A dämpas av flera gener på kromosom 21: NRIP1, APP, DYRK1A, PKNOX1 och RCAN1. Hyperaktiverad mTOR bidrar också med negativ inverkan på mitokondriernas dynamik och selektiva nedbrytning.

Forskarna beskriver ämnen och mediciner som kan aktivera PGC-1A (AICAR, pioglitazone, resveratrol, EGCG, urolitin), som kan hämma mTOR (rapamycin), som kan hämma mitokondriers fission (mdivi-1, P110, Dynasore, Driptor1), eller som kan stimulera mitokondriers fusion (leflunomide, hydrazone M1).

Eftersom uppreglering av PGC-1A i huvudsak stimulerar mitokondriers förökning och effektivitet, och nedreglering av mTOR i huvudsak stimulerar nedbrytning och återvinning av mitokondrier, så vore det enligt forskarna idealt med en medicin som både aktiverar PGC-1A och dämpar mTOR. Och vad bättre är – den finns redan: Metformin.

Metformin är en medicin som används framför allt för behandling av Diabetes Typ 2. Metformin beskrevs 1922 och har använts som läkemedel sedan 1957. Det är ett generiskt läkemedel och ett av världens vanligaste. Forskarna i Neapel propagerar för att kliniska studier av metformin-behandling för personer med Downs syndrom bör genomföras, samtidigt som forskning på fler substanser bör fortsätta.

Stressen kan mätas i blodprov

Forskare i Rom har jämfört mängden av olika proteiner i mononukleära vita blodkroppar (PBMC) i blodprov från 6 barn/unga med Downs syndrom, och jämfört med nivåerna hos 6 barn/unga utan Downs syndrom. Proteinerna med annorlunda uttryck kunde kopplas till funktionerna Stressrespons, Proteintransport, Energiomsättning, DNA-struktur/paketering, Cytoskelettet, och Signalering.

Resultaten överensstämmer med annan forskning om Downs syndrom och visar att blodprov och proteinanalys av PBMC kan användas för att mäta och förstå sjukdomsutveckling och för att utveckla behandlingar. Proteinprofilen vid DS tyder på att oxidativ stress och förhöjd stressrespons kopplad till proteinsyntesen kan utgöra jordmån för livslång ackumulering av cellskador.

Från forskning till behandling – Pilotstudie av EGCG för små barn

Trisomi 21 medför ett ökat uttryck av DYRK1A, nedsatt funktion i mitokondrierna och oxidativ stress. EGCG är en antioxidant som minskar uttrycket av DYRK1A och har korrigerat den nedsatta funktionen i mitokondrierna i både cellstudier och djurförsök. Därför har forskare i Neapel och Bari genomfört en liten pilotstudie av EGCG för 20 barn med Downs syndrom i åldern 1 – 8 år (i snitt 3 år). Syftet var primärt att undersöka säkerheten och effekten på mitokondriernas funktion, och sekundärt effekten på barnens utvecklingsprofil. Hälsokontroller gjordes vid fyra tillfällen; vid starten (T0), efter en månad (T1), efter tre månader (T3) och i slutet (T6).

Studien hade två kontrollgrupper. Den ena kontrollgruppen bestod av 10 barn med DS som inte fick någon behandling alls men som genomgick en bedömning av sin utvecklingsprofil två gånger, vid (T0) och (T6). Utvecklingsprofilen mättes med The Griffiths Mental Developmental Scales—Extended Revised (GMDS-ER).

Den andra kontrollgruppen bestod av 6 barn utan Downs syndrom som kunde förväntas ha normal funktion i mitokondrierna. De fick lämna blodprov vid (T0), (T1) och (T6) för mätning av aktiviteten i elektrontransportkedjans Komplex I och V.

Eftersom små barn inte kan svälja kapslar så fick barnen i behandlingsgruppen EGCG (10 mg / kg kroppsvikt) upplöst i Omega-3, dagligen i 6 månader. Forskarna valde att inte använda EGCG-drycken Font Up på grund av att EGCG degraderas i vätska, och om små barn inte dricker upp en deciliter på en gång så vet man inte hur stor aktiv dos de har fått i sig. Det fanns ingen placebo-grupp eftersom det inte finns någon overksam substans som smakar som EGCG.

Av de 20 barnen var det 6 barn som inte fullföljde studien: 2 barn vägrade svälja EGCG i Omega-3 för att det smakar så illa (beskt). 1 barn började efter en tid kräkas varje dag (kanske kopplat till behandlingen) och lämnade studien. 1 barn fick laryngospasm, vilket forskarna inte kunde koppla till behandlingen, och ytterligare 2 deltog inte i uppföljningen av okänd anledning.

Hos de 14 som fullföljde behandlingen var det 3 barn vars nivåer av folsyra sjönk under referensvärdena, varför de fick extra tillskott av det i två månader. Utöver detta noterades inga negativa biverkningar. Homocysteinnivåerna påverkades inte heller av behandlingen.

Aktiviteten i elektrontransportkedjan mättes i vita blodkroppar med en cellkärna (PBMC). Innan behandlingen påbörjats hade barnen med DS 56% aktivitet i Komplex I och V jämfört med kontrollgruppen. Under behandlingen så ökade nivån successivt i både Komplex I och Komplex V hos alla barnen. Efter en månad hade aktiviteten ökat till 80% respektive 82%, och efter 6 månader till 104% respektive 95%. EGCG med Omega-3 återställer effektivt aktiviteten i elektrontransportkedjans Komplex I och V.

Vid T(0) så låg barnen i behandlingsgruppen och kontrollgruppen på samma utvecklingsnivå. Efter sex månader så var det bara barn under 2 år som visade signifikanta framsteg och det gällde oavsett vilken grupp de tillhörde. Barnen i åldern 2-8 år visade inga signifikanta framsteg under 6-månadersperioden oavsett om de fick behandling eller ej. Sammanfattningsvis så var de framsteg som barnen med Downs syndrom gjorde oberoende av behandlingen och får ses som ett resultat av den spontana åldersberoende utvecklingen.

Forskarna anser att i brist på andra behandlingar, så kan tillskott av koffeinfritt EGCG i kontrollerad dos och under medicinsk övervakning uppmuntras för barn med Downs syndrom för att förbättra energiproduktionen. Föräldrar ska informeras om att det ännu saknas data som visar effekt på kognitionen.

Läs mer:

Down syndrome is an oxidative phosphorylation disorder. (2021, Jan: M Pilar Bayona-Bafaluy, Nuria Garrido-Pérez, Patricia Meade, Eldris Iglesias, Irene Jiménez-Salvador, Julio Montoya, Carmen Martínez-Cué, Eduardo Ruiz-Pesini.) PMID33540295, PMC7859316, DOI:10.1016/j.redox.2021.101871

Suppressing Aneuploidy-Associated Phenotypes Improves the Fitness of Trisomy 21 Cells. (2019, Nov: Sunyoung Hwang, Jessica F Williams, Maja Kneissig, Maria Lioudyno, Isabel Rivera, Pablo Helguera, Jorge Busciglio, Zuzana Storchova, Megan C King, Eduardo M Torres.) PMID31747614, PMC6886690, DOI:10.1016/j.celrep.2019.10.059

Long-term effects of maternal choline supplementation on CA1 pyramidal neuron gene expression in theTs65Dn mouse model of Down syndrome and Alzheimer s disease. (2019, Sep: Melissa J Alldred, Helen M Chao, Sang Han Lee, Judah Beilin, Brian E Powers, Eva Petkova, Barbara J Strupp, Stephen D Ginsberg.) PMID31180719 , PMC6704451, DOI:10.1096/fj.201802669RR

4‑Phenylbutyrate ameliorates apoptotic neural cell death in Down syndrome by reducing protein aggregates. (2020, Aug: Katsuya Hirata, Toshihiko Nambara, Keiji Kawatani, Nobutoshi Nawa, Hidetaka Yoshimatsu, Haruna Kusakabe, Kimihiko Banno, Ken Nishimura, Manami Ohtaka, Mahito Nakanishi, Hidetoshi Taniguchi, Hitomi Arahori, Kazuko Wada, Keiichi Ozono, Yasuji Kitabatake.) PMID32820178, PMC7441064, DOI:10.1038%2Fs41598-020-70362-x

Intranasal rapamycin ameliorates Alzheimer-like cognitive decline in a mouse model of Down syndrome. (2018, Nov: Antonella Tramutola, Chiara Lanzillotta, Eugenio Barone, Andrea Arena, Ilaria Zuliani, Luciana Mosca, Carla Blarzino, Allan Butterfield, Marzia Perluigi, Fabio Di Domenico.) PMID30410750, PMC6218962, DOI:10.1186/s40035-018-0133-9

Restoration of aberrant mTOR signaling by intranasal rapamycin reduces oxidative damage: focus on HNE-modified proteins in a mouse model if Down syndrome. (2019, May: Fabio Di Domenico, Antonella Tramutola, Eugenio Barone, Chiara Lanzillotta, Olivia Defever, Andrea Arena, Ilaria Zuliani, Cesira Foppoli, Federica Iavarone, Federica Vincenzoni, Massimo Castagnola, D Allan Butterfield, Marzia Perluigi.) PMC6859577, DOI:10.1016/j.redox.2019.101162

Down Syndrome Is a Metabolic Disease: Altered Insulin Signaling Mediates Peripheral and Brain Dysfunctions (2020, Jul: Mara Dierssen, Marta Fructuoso, María Martínez de Lagrán, Marzia Perluigi, and Eugenio Barone.) PMID32733190, PMC7360727, DOI:10.3389/fnins.2020.00670

Stress Responses in Down Syndrome Neurodegeneration: State of the Art and Therapeutic Molecules (2021, Feb: Chiara Lanzillotta, Fabio Di Domenico.) PMID33670211, PMC7916967, DOI: 10.3390/biom11020266

Antioxidants in Down Syndrome: From Preclinical Studies to Clinical Trials. (2020, Aug: Noemí Rueda Revilla, Carmen Martínez-Cué.) PMID32756318, PMC7464577, DOI:10.3390/antiox9080692

Targeting Mitochondrial Network Architecture in Down Syndrome and Aging (2020, Apr: Nunzia Mollo, Rita Cicatiello, Miriam Aurilia, Roberta Scognamiglio, Rita Genesio, Maria Charalambous, Simona Paladino, Anna Conti, Lucio Nitsch, Antonella Izzo.) PMID32365535, PMC7247689, DOI:10.3390/ijms21093134

Proteomics Study of Peripheral Blood Mononuclear Cells in Down Syndrome Children. (2020, Nov: Chiara Lanzillotta, Viviana Greco, Diletta Valentini, Alberto Villani, Valentina Folgiero, Matteo Caforio, Franco Locatelli, Sara Pagnotta, Eugenio Barone, Andrea Urbani, Fabio Di Domenico, Marzia Perluigi.) PMID33187268, PMC7696178 , DOI:10.3390/antiox9111112

Epigallocatechin-3-Gallate Plus Omega-3 Restores the Mitochondrial Complex I and F₀ F₁-ATP Synthase Activities in PBMCs of Young Children with Down Syndrome: A Pilot Study of Safety and Efficacy. (2021, Mar: Iris Scala, Daniela Valenti, Valentina Scotto D’Aniello, Maria Marino, Maria Pia Riccio, Carmela Bravaccio, Rosa Anna Vacca, Pietro Strisciuglio.) PMID33809669, PMC8002266, DOI:10.3390/antiox10030469

Relaterat på Svenska Downföreningens hemsida:

Extrakt av grönt te / EGCG och ansiktets utveckling vid Downs syndrom (Mar 2021)

Minskad stress-respons i hjärnceller ger bättre inlärning och minne (Feb 2020)

Färre hoptrasslade proteiner ger färre för tidigt åldrade celler (Aug 2019)

Är åldrande en sjukdom? (Aug 2018)

Hur Trisomi 21 påverkar cellernas proteiner (Jan 2018)

Näringsdryck med EGCG (Jul 2017)

Brist på energi (Feb 2017)

Grönt te-extrakt ger bättre kognitiv och adaptiv förmåga (Aug 2016)

På väg mot behandling av Trisomi 21 (Jan 2016)

Oxidativ stress är utmärkande för Downs syndrom (Nov 2015)

Kolin kan vara särskilt bra för gravida och ammande (Jul 2015)

Medicinering av mus-foster med Fluoxetin räddar hjärnans utveckling (Apr 2014)

XIST-genen kan tysta kromosom 21 (Jul 2013)