Putative neuroprotective compounds in in vitro models of dopaminergic neurodegeneration

Parkinson´s disease (PD) is a debilitating age-related neurological disorder that affects various motor skills and can lead to a loss of cognitive functions. The motor symptoms are the result of the progressive degeneration of dopaminergic neurons within the substantia nigra. The factors that influence the pathogenesis and the progression of the neurodegeneration remain mostly unclear. This study investigated the role of various programmed cell death (PCD) pathways, oxidative stress, and glial cells both in dopaminergic neurodegeneration and in the protective action of various drugs. To this end, we exposed dopaminergic neuroblastoma cells (SH-SY5Y cells) to 6-OHDA, which produces oxidative stress and activates various PCD modalities that result in neuronal degeneration. Additionally, to explore the role of glia, we prepared rat midbrain primary mixed-cell cultures containing both neurons and glial cell types such as microglia and astroglia and then exposed the cultures to either MPP plus or lipopolysaccharide. Our results revealed that 6-OHDA activated several PCD pathways including apoptosis, autophagic stress, lysosomal membrane permeabilization, and perhaps paraptosis in SH-SY5Y cells. Furthermore, we found that minocycline protected SH-SY5Y cells from 6-OHDA by inhibiting both apoptotic and non-apoptotic PCD modalities. We also observed an inconsistent neuroprotective effect of various dietary anti-oxidant compounds against 6-OHDA toxicity in vitro in SH-SY5Y cells. Specifically, quercetin and curcumin exerted neuroprotection only within a narrow concentration range and a limited time frame, whereas resveratrol and epigallocatechin 3-gallate provided no protection whatsoever. Lastly, we found that molecules such as amantadine may delay or even halt the neurodegeneration in primary cell cultures by inhibiting the release of neurotoxic factors from overactivated microglia and by enhancing the pro-survival actions of astroglia. Together these data suggest that the strategy of dampening oxidative species with anti-oxidants is less effective than preventing the production of toxic factors such as oxidative and pro-inflammatory molecules by pathologically activated microglia. This would subsequently prevent the activation of various PCD modalities that cause neuronal degeneration.

Väitös käsittelee uusia näkökulmia Parkinsonin taudin patologisiin muutoksiin ja terapeuttisiin lähestymistapoihin liittyen. Parkinsonin tauti on heikentävä, ikään liittyvä hermostorappeumasairaus, joka vaikuttaa liikkeiden ohjaukseen ja johtaa usein dementiaan. Liikehäiriöt johtuvat tietyn, dopamiinia välittäjäaineenaan sisältävän hermosolupopulaation rappeumasta. Käyttämällä ihmisperäistä dopamiinia sisältävää solulinjaa osoitimme että 6-hydroksidopamiini (6-OHDA), Parkinsonin taudin mallinnuksessa usein käytetty hermomyrkky, aktivoi sellaisia ohjelmoidun solukuoleman muotoja, jotka ovat toistaiseksi jääneet vähälle huomiolle. Lisäksi esitämme, että nämä tällaiset solukuoleman muodot voisivat toimia vaikutuskohteina uusille hermosoluja suojaaville lääkeaineille, kuten on minosykliinin osalta osoitettu. Toinen tämän tutkimuksen löydöksistä osoittaa, että jokapäiväisessä ravinnossa esiintyvät suositut anti-oksidantit eivät välttämättä suojaakaan hermostorappeumalta kuten aikaisemmin on luultu. Todellisuudessa sellaisten molekyylien kuten quersetiinin ja reservatrolin (punaviineissä), epigallokatekiinin (vihreässä teessä) sekä kurkumiinin (currymausteseoksissa) suojavaikutukset ovat olleet epäjohdonmukaisia ihmisperäisissä dopaminergisissä solulinjoissa. Lisäksi edellä mainittujen yhdisteiden suojaa tuottavat pitoisuudet ovat pääosin kliinisesti merkityksettömiä, sillä vain pieni osa ravinnon mukana saaduista molekyyleistä pääsee aivoihin. Viimeisimpänä, National Institute of Environmental Heath Sciences/NIH:ssa Yhdysvalloissa tehdyt tutkimukset korostivat hermotukisolujen merkitystä hermostorappeumaprosessissa sekä mahdollisina lääkekohteina Parkinsonin taudin hoidossa. Yksityiskohtaisemmin, haitallisen mikrogliasolujen (aivojen tulehdussoluja) aktivaation estäminen saattaa pysäyttää etenevän hermorappeuman. Toisaalta astrogliasolujen (hermoston toimintaa tukevat solut) selviytymistä edistävien toimintojen käynnistäminen saattaa suojata, ja jopa elvyttää joitakin kuolevista dopamiinihermosoluista. Hyvä esimerkki tällä tavalla toimivasta molekyylista on amantadiini, jonka osoitimme suojaavan rotasta eristettyjä primaarisiä dopamiinihermosoluja estämällä mikroglia-aktivaatiota ja käynnistämällä hermokasvutekijöiden vapautumisen astrogliasoluista. Yhdessä nämä tulokset osoittavat, että happiradikaalien vähentäminen anti-oksidantteja käyttämällä on vähemmän tehokasta, kuin haitallisten tekijöiden, kuten hapettavien ja tulehdusta edistävien molekyylien, tuotannon estäminen patologisesti aktivoituneissa mikrogliasoluissa. Tämä puolestaan estäisi erilaisten hermostorappeumaa aiheuttavien ohjelmoidun solukuoleman muotojen aktivoitumisen.