CNS injury, γ1 laminin, and its KDI peptide

Nisäkkäillä keskushermoston uudistuminen on rajallista. Keskushermostovamman jälkeen aktivoituu monien paranemista edistävien tekijöiden lisäksi myös estäviä tekijöitä. Monella molekyylillä, kuten laminiinilla, on keskushermoston paranemista tehostava vaikutus. Laminiinit ovat myös kehon tyvikalvojen oleellisia rakennuskomponentteja. Keskushermoston laminiinit ovat tärkeitä sikiökehityksen aikana, esimerkiksi hermosäikeiden ohjauksessa. Myöhemmin ne osallistuvat veriaivoesteen ylläpitoon sekä vammojen jälkeiseen kudosreaktioon. Väitöskirjatutkimuksessani olen selvittänyt lamiiniinien, erityisesti γ1 laminiinin ja sen KDI peptidin, ekspressiota keskushermoston vammatilanteissa. Kokeellisessa soluviljelmäasetelmassa, joka simuloi vammautunutta keskushermostoympäristöä, osoitimme että KDI peptidi voimistaa sekä hermosolujen selviytymistä että hermosäikeiden kasvua. Kainihappo on glutamaattianalogi, ja glutamaattitoksisuudella uskotaan olevan tärkeä merkitys keskushermoston eri vamma- ja sairaustilanteissa tapahtuvassa hermosolukuolemassa. Toisessa väitöskirjani osatyössä osoitimme eläinmallissa KDI peptidin suojaavan rotan aivojen hippokampuksen hermosoluja kainihapon aiheuttamalta solutuholta. Elektrofysiologisilla mittauksilla osoitimme kolmannessa osatyössäni, että KDI peptidi estää glutamaattireseptorivirtoja ja suojaa siten glutamaattitoksisuudelta. Aivoveritulpan aiheuttama aivovaurio on yleinen syy aivohalvaukseen. Viimeisessä osatyössäni tutkimme eläinmallissa laminiinien ekspressiota iskemian vaurioittamassa aivokudoksessa. Laminiiniekspression todettiin voimistuvan vaurion jälkeen sekä tyvikalvo- että soluväliainerakenteissa. Vaurion ympärillä havaittiin astrosyyttejä, jotka jo melko aikaisessa vaiheessa vamman jälkeen ekspressoivat γ1 laminiinia ja KDI peptidiä. Tästä voidaan päätellä laminiinien osallistuvan aivoiskeemisen vaurion patofysiologiaan. Yleisesti väitöskirjatyöni kartoitti laminiinien ekspressiota sekä terveessä että vammautuneessa keskushermostossa. Väitöskirjatyöni tukee hypoteesia, jonka mukaan KDI peptidi suojaa keskushermostoa vaurioilta.

Role of γ1 Laminin and Its KDI Peptide in the Central Nervous System

Since the 1980 s, laminin-1 has been linked to regeneration of the central nervous system (CNS) and promotion of neuronal migration and axon guidance during CNS development. In this thesis, we clarify the role of γ1 laminin and its KDI tripeptide in development of human embryonic spinal cord, in regeneration of adult rat spinal cord injury (SCI), in kainic acid-induced neuronal death, and in the spinal cord tissue of amyotrophic lateral sclerosis (ALS). We demonstrated that γ1 laminin together with α1, β1, and β3 laminins localize at the floor plate region in human embryonic spinal cord. This localization of γ1 laminin is in spatial and temporal correlation with development of the spinal cord and indicates that γ1 laminin may participate in commissural axon guidance during the embryonic development of the human CNS. With in vitro studies using the Matrigel culture system, we demonstrated that the KDI tripeptide of γ1 laminin provides a chemotrophic guidance cue for neurites of the human embryonic dorsal spinal cord, verifying the functional ability of γ1 laminin to guide commissural axons. Results from our experimental SCI model demonstrate that the KDI tripeptide enhanced functional recovery and promoted neurite outgrowth across the mechanically injured area in the adult rat spinal cord. Furthermore, our findings indicate that the KDI tripeptide as a non-competitive inhibitor of the ionotropic glutamate receptors can provide when administered in adequate concentrations an effective method to protect neurons against glutamate-induced excitotoxic cell death. Human postmortem samples were used to study motor neuron disease, ALS (IV), and the study revealed that in human ALS spinal cord, γ1 laminin was selectively over-expressed by reactive astrocytes, and that this over-expression may correlate with disease severity. The multiple ways by which γ1 laminin and its KDI tripeptide provide neurotrophic protection and enhance neuronal viability suggest that the over-expression of γ1 laminin may be a glial attempt to provide protection for neurons against ALS pathology. The KDI tripeptide is effective therapeutically thus far in animal models only. However, because KDI containing γ1 laminin exists naturally in the human CNS, KDI therapies are unlikely to be toxic or allergenic. Results from our animal models are encouraging, with no toxic side-effects detected even at high concentrations, but the ultimate confirmation can be achieved only after clinical trials. More research is still needed until the KDI tripeptide is refined into a clinically applicable method to treat various neurological disorders.