Butyrylocholinesteraza - nowy cel terapeutyczny w leczeniu choroby Alzheimera

Źródło: Polska Strona Choroby Alzheimera

Streszczenie

Choroba Alzheimera jest postępującym schorzeniem neurodegeneracyjnym występującym u osób starszych. Charakteryzuje się uogólnioną upośledzeniem działania układu cholinergicznego w ośrodkowym układzie nerwowym. Jak dotąd jedynym leczeniem objawowym o udowodnionej skuteczności jest stosowanie inhibitorów cholinesterazy (ChE) w celu poprawy zachowanej jeszcze aktywności cholinergicznej. Inhibitory cholinesterazy działają na enzymy hydrolizujące acetylocholinę (ACh) po jej uwolnieniu do synapsy. W zdrowym mózgu za regulację poziomu acetylocholiny w większym stopniu (80%) odpowiada acetylocholinesteraza (AChE) niż butyrylocholinesteraza (BuChE). W mózgu osoby chorej na chorobę Alzheimera aktywność butyrylocholinesterazy rośnie, natomiast aktywność acetylocholinesterazy pozostaje niezmieniona lub ulega obniżeniu. Dlatego też uważa się, że prawdopodobnie obydwa enzymy biorą udział w regulacji poziomu acetylocholiny i stanowią właściwe cele dla terapii deficytu cholinergicznego. Enzymy te różnią się pod względem lokalizacji w tkance nerwowej, swoistości w stosunku do substratu i kinetyki. Najnowsze doniesienia sugerują, że butyrylocholinesteraza poza regulacją poziomu acetylocholiny w synapsie może również odgrywać rolę w etiologii i rozwoju choroby Alzheimera. Wyniki badań z użyciem substancji o zwiększonej selektywności wobec butyrylocholinesterazy (cymseryna, MF-8622) i inhibitorów cholinesterazy, takich jak riwastygmina, które działają zarówno na acetylocholinesterazę, jak i na butyrylocholinesterazę, wskazują na potencjalne korzyści terapeutyczne z hamowania acetylocholinesterazy i butyrylocholinesterazy w chorobie Alzheimera i innych podobnych chorobach przebiegających z otępieniem. Powstawanie leków będących swoistymi inhibitorami butyrylocholinesterazy i dalsze stosowanie inhibitorów cholinesterazy, które oprócz acetylocholinesterazy hamują także butyrylocholinesterazę powinno doprowadzić do poprawy wyników leczenia w chorobie Alzheimera.

Wprowadzenie

Choroba Alzheimera (Alzheimer Disease - AD) jest przewlekłym i postępującym schorzeniem neurodegeneracyjnym, które charakteryzuje się stopniowym pogarszaniem codziennej aktywności, zaburzeniami zachowania i utratą funkcji poznawczych. Za przyczynę objawów w chorobie Alzheimera uważa się uogólnione upośledzenie funkcji cholinergicznych. Obniżona neurotransmisja cholinergiczna w chorobie Alzheimera jest związana ze znacznym zmniejszeniem aktywności enzymu odpowiedzialnego za syntezę acetylocholiny – acetylotransferazy cholinowej (ChAT) oraz wynikającym z tego obniżeniem poziomu acetylocholiny w mózgu. Zmniejszenie aktywności cholinergicznej w obszarach mózgu odpowiedzialnych za wyższe procesy myślowe, przynajmniej częściowo tłumaczy pogorszenie codziennego funkcjonowania, zaburzenia zachowania i funkcji poznawczych.
Procesy neurodegeneracyjne w chorobie Alzheimera obejmują zmiany patologiczne, takie jak ubytek neuronów cholinergicznych w obszarach mózgu związanych z wyższymi funkcjami myślowymi, szczególnie w korze nowej i hipokampie (Ryc.1), odkładanie się nierozpuszczalnego neurotoksycznego białka beta-amyloidu (A-beta) w płytkach starczych oraz powstawanie splotów neurofibrylarnych.1 Dotychczas jedynym skutecznym leczeniem, które przynosi znaczące korzyści w odniesieniu do objawów choroby, jest hamowanie aktywności cholinesteraz.2 Metoda ta jest lepsza niż bezpośrednia terapia agonistami receptorów, ponieważ inhibitory cholinesterazy podnoszą naturalny poziom acetylocholiny, a nie stymulują receptory cholinergiczne tonicznie lub w sposób uogólniony. Inhibitory cholinesterazy swoiste dla mózgu opóźniają inaktywację acetylocholiny po jej uwolnieniu do szczeliny synaptycznej i w ten sposób przedłużają aktywność tego neuroprzekaźnika w ośrodkowym układzie nerwowym.

Cholinesterazy

W ośrodkowym układzie nerwowym występują dwa typy cholinesteraz : acetylocholinesteraza (AChE) i butyrylocholinesteraza (BuChE). Sekwencje aminokwasów tych enzymów są homologiczne w 65%, mimo że są kodowane przez różne geny na chromosomach, odpowiednio 7 (7q22) i 3 (3q26).3 Obydwa enzymy hydrolizują acetylocholinę z szybkością ponad 10 000 cząsteczek na sekundę.4 Jedynym ograniczeniem szybkości hydrolizy jest raczej dyfuzja acetylocholiny do enzymów, a nie ich wewnętrzna zdolność katalityczna.
Jeszcze niedawno znaczenie butyrylocholinesterazy w regulacji poziomu acetylochopliny było niedoceniane. Jednak coraz bardziej oczywiste jest, że obydwa enzymy – acetylocholinesteraza i butyrylocholinesteraza – wpływają na regulację poziomu acetylocholiny i mogą mieć znaczenie w rozwoju oraz progresji choroby Alzheimera.

Cholinesterazy w zdrowym mózgu

Istotne różnice między powyższymi enzymami sprawiają, że są one odmienne pod względem biochemicznym, co wyjaśnia przyczynę pełnienia przez nie różnych funkcji w zdrowym i chorym (osoby z chorobą Alzheimera) mózgu. W mózgu osoby zdrowej acetylocholinesteraza jest odpowiedzialna za 80% aktywności cholinesteraz, natomiast butyrylocholinesteraza za pozostałe 20%.5 Acetylocholinesteraza znajduje się głównie w neuronach, a butyrylocholinesteraza jest związana przede wszystkim z komórkami glejowymi.6,7
Krystalografia rentgenowska pokazuje, że obydwa enzymy mają w cząsteczce aktywną, głównie hydrofobową bruzdę o głębokości 20 A, w którą wchodzi acetylocholina.8 Znalazłszy się w tej bruździe, acetylocholina wiąże się z enzymem w dwóch miejscach: katalitycznym, blisko podstawy bruzdy oraz miejscu wiążącym dla choliny, w połowie głębokości bruzdy. W wyniku działania enzymu dochodzi do rozkładu acetylocholiny oraz uwolnienia choliny i kwasu acetylowego, co powoduje inaktywację tego neurotransmitera.9 Acetylocholinesteraza w sposób wysoce selektywny hydrolizuje acetylocholinę, podczas gdy butyrylocholinesteraza jest mniej wybiórcza i może metabolizować kilka innych cząsteczek, włącznie z peptydami neuroaktywnymi.10 Zdolność butyrylocholinesterazy do przyłączania substratów różniących się pod względem chemicznym wynika z różnicy między aminokwasami, które budują podstawę bruzdy w tych dwóch enzymach. Dokładniej, wiązanie między acetylową częścią acetylocholiny a miejscem katalitycznym wymaga interakcji z trzema głównymi resztami aminokwasowymi, które tworzą miejsce aktywne i biorą udział w systemie przekazywania ładunków. W cząsteczce acetylocholinesterazy jego centrum stanowi reszta seryny (Ser200), natomiast pozostałe elementy to imidazolowy pierścień histydyny (His447) i grupa karboksylowa kwasu glutaminowego (Glu334). W tym obszarze bruzdy, u samej podstawy przestrzeń dostępna dla wiązania substratów jest ograniczona przez dwa duże aminokwasy – fenyloalaniny (Phe295 i Phe297) – których aromatyczne reszty wystają do bruzdy. W butyrylocholinesterazie są one zastąpione przez dwa mniejsze aminokwasy – walinę i leucynę – co tworzy dodatkową przestrzeń, która umożliwia przyłączanie się większych substratów. Dodatkowe zamiany aminokwasów w butyrylocholinesterazie decydują o rozmiarze i hydrofobowym charakterze bruzdy w innych miejscach.
Przeprowadzone niedawno badania na myszach, u których selektywnie zablokowano gen dla acetylocholinesterazy (AChE -/- ), również przemawiają za tym, że butyrylocholinesteraza może hydrolizować acetylocholinę i odgrywa ważną rolę w transmisji cholinergicznej (Xie i wsp.10a, Mesulam i wsp.10b). Myszy bez acetylocholiny osiągają dojrzałość, ale są bardzo wrażliwe na toksyczne działanie inhibitorów swoistych w stosunku do butyrylocholinesterazy (Xie i wsp.10a). Oznacza to, że butyrylocholinesteraza, a być może także inne enzymy, mogą kompensować niektóre funkcje acetylocholinesterazy. Co więcej, analiza dystrybucji butyrylocholinesterazy u myszy AChE -/- pokazała, że poziom butyrylocholinesterazy w tkankach tych zwierząt był znacząco wyższy niż wcześniej obserwowano (Li i wsp.10c). W ośrodkowym układzie nerwowym aktywność butyrylocholinesterazy stwierdza się we wszystkich obszarach mózgu, które są unerwione cholinergicznie, szczególnie w hipokampie i korze ciemieniowej (Mesulam i wsp.10b). Uzyskane wyniki sugerują, że butyrylocholinesteraza pełni istotną rolę u myszy “znokautowanych” (AChE -/-) i prawdopodobnie także u myszy dzikich.
Kinetyka butyrylocholinesterazy dodatkowo odróżnia ją od acetylocholinesterazy. Acetylocholinesteraza jest bardziej wydajna przy niskich stężeniach substratu i jest hamowana przez nadmiar acetylocholiny. Przeciwnie, wartość Km butyrylocholinesterazy sprawia, że enzym ten jest mniej wydajny przy niskich stężeniach, ale za to bardzo wydajny przy stężeniach wyższych, gdy acetylocholinesterazy zostaje zahamowana.11 Sugeruje się, że butyrylocholinesteraza wspomaga hydrolizę nadmiaru acetylocholiny.12 Sąsiedztwo przestrzenne glejowej butyrylocholinesterazy i synaptycznej acetylocholinesterazy może umożliwiać występowanie takiej komplementarnej hydrolizy.13-16
Obydwa enzymy istnieją w kilku sferycznych i asymetrycznych konformacjach. Forma G4 złożona z czterech sferycznych podjednostek białkowych i forma G1 z pojedynczą sferyczną częścią białkową współistnieją z przynajmniej trzema formami asymetrycznymi (A4, 8, 12 ).17 Formy G1 i G4 są obecne w rozmaitych proporcjach w różnych obszarach mózgu. Postać G4 najliczniej występuje w zdrowych mózgach i pełni główną rolę w rozkładaniu acetylocholiny. Przeciwnie, postać G1 występuje w mniejszych ilościach w zdrowych ludzkich mózgach i odgrywa względnie mniejszą rolę w degradacji acetylocholiny.18,19

Rola butyrylocholinesterazy w chorobie Alzheimera

Postęp w odkrywaniu właściwości i działania butyrylocholinesterazy w mózgach osób zdrowych i w chorobie Alzheimera dostarcza dowodów na znaczenie butyrylocholinesterazy w patologii i progresji tej choroby.
Jak wspomniano wcześniej, w zdrowym mózgu acetylocholinesteraza reprezentuje około 80% aktywności cholinesteraz, a resztę stanowi butyrylocholinesteraza.5 Jednakże w zaawansowanej chorobie Alzheimera aktywność acetylocholinesterazy może zostać w pewnych obszarach mózgu zredukowana do 55-67% normalnego poziomu, podczas gdy aktywność butyrylocholinesterazy wzrasta (Ryc. 2).20 Stosunek butyrylocholinesterazy do acetylocholinesterazy zmienia się gwałtownie w zajętych przez zmiany chorobowe rejonach kory z 0,5 do nawet 11.21 Wydaje się, że zmiany stosunku acetylocholinesterazy do butyrylocholinesterazy - traktowane jako wykładnik procesu chorobowego – powodują, że butyrylocholinesteraza zaczyna odgrywać dominującą rolę w regulacji acetylocholiny.
Badania cytochemiczne wykazały, że w pewnych szlakach nerwowych u niektórych gatunków zwierząt butyrylocholinesteraza zastępuje acetylocholinesterazę23, co oznacza, że szlaki cholinergiczne mogą być regulowane wyłącznie przez ten drugi enzym. Co więcej, ostatnio stwierdzono, że w cholinesterazo-dodatnich neuronach ciała migdałowatego aktywność butyrylocholinesterazy jest wyższa niż acetylocholinesterazy. Natomiast ludzki hipokamp zawiera elementy, w których współistnieja acetylocholinesteraza i butyrylocholinesteraza. Specyficzna rola tych enzymów w neurotransmisji w ciałach migdałowatych i hipokampie czeka na wyjaśnienie.
Istnieją dowody, że butyrylocholinesteraza może również odgrywać rolę w agregacji beta-amyloidu, który pojawia się we wczesnych stadiach formowania płytki starczej w chorobie Alzheimera.25 Zarówno butyrylocholinesteraza, jak i acetylocholinesteraza gromadzą się w płytkach amyloidowych, a także występują w splotach neurofibrylarnych.6 Wzrastający poziom butyrylocholinesterazy jest związany z rozwojem kortykalnych i neokortykalnych płytek starczych.22,25 Po dodaniu butyrylocholinesterazy do beta-amyloidu w hodowli tkankowej obserwowano wzrost neurotoksyczności tej substancji, co wskazuje na potencjalną wartość terapeutyczną hamowania butyrylocholinesterazy w chorobie Alzheimera.26
W procesie starzenia się, a jeszcze bardziej w przebiegu choroby Alzheimera, poziomy form G4, zarówno acetylocholinesterazy, jak i butyrylocholinesterazy obniżają się. Natomiast poziom G1 pozostaje niezmieniony lub rośnie, co tym samym powoduje zwiększenie względnego znaczenia formy G1.19,27 W chorobie Alzheimera aktywność butyrylocholinesterazy rośnie o około 30-60%, głównie formy G.9 W miarę postępu choroby, formy G1 acetylocholinesteraza i butyrylocholinesteraza są gromadzone w coraz większej ilości w płytkach i splotach.6,19,25 Wykazano, że enzymy te gromadzą się w płytkach razem z beta-amyloidem.6,19,25 Poziom form G1 obu enzymów dodatnio koreluje z gęstością i patogenetycznością płytek, co sugeruje, że hamowanie acetylocholinesterazy i butyrylocholinesterazy mogłoby poprawić funkcję cholinergiczną w chorobie Alzheimera.
Badania genetyczne wykazały potencjalny związek między jedną z form butyrylocholinesterazy (wariant K) a prawdopodobieństwem rozwoju choroby Alzheimera.28 U 74 osób z potwierdzoną histopatologicznie chorobą Alzheimera o późnym początku (w wieku powyżej 65 lat) częstość występowania genu dla wariantu K butyrylocholinesterazy (BuChE-K) była wyższa niż w grupie kontrolnej ludzi starszych, w grupie pacjentów z chorobą Alzheimera o wczesnym początku i w grupie pacjentów z innymi postaciami otępienia. Związek między BuChE-K i chorobą Alzheimera o późnym początku dotyczył wyłącznie osób, które były jednocześnie nosicielami genu dla apolipoproteiny E4 (ApoE4). Te wstępne spostrzeżenia sugerują, że posiadanie wariantu BuChE-K wraz z genem dla ApoE4 może oznaczać zwiększone prawdopodobieństwo wystąpienia choroby Alzheimera o późnym początku, a także potwierdzają rolę butyrylocholinesterazy w jej progresji.28 Co więcej, uzyskane podczas eksperymentów dane oceniające użyteczność terapii inhibitorami cholinesterazy u pacjentów z otępieniem z ciałami Lewy’ego (DLB) wskazują na to, że genotyp butyrylocholinesterazy może determinować reakcję na terapię inhibitorami cholinesterazy.29 Prawdopodobne jest, że dalsze badania zajmujące się znaczeniem związku między butyrylocholinesterazą i ApoE4 pomogą wyjaśnić znaczenie izoform butyrylocholinesterazy i ApoE4 w etiologii choroby Alzheimera oraz innych podobnych chorób przebiegających z otępieniem.

Efekty hamowania butyrylocholinesterazy

Znaczenie hamowania butyrylocholinesterazy wykazano niedawno przy użyciu eksperymentalnych substancji ze zwiększoną selektywnością dla butyrylocholinesterazy w porównaniu z acetylocholinesterazą: (cymseryna: 15 razy, binorcymseryna: 110 razy, fenetylcymseryna: 5000 razy)30,31 oraz karbaminianów swoistych dla butyrylocholinesterazy, takich jak MF-8622. Wybiórcze hamowanie butyrylocholinesterazy w porównaniu z acetylocholinesterazą wynika z możliwości wykorzystania przestrzeni obecnej w bruździe cząsteczki butyrylocholinesterazy. Te nowe selektywne inhibitory butyrylocholinesterazy badano na zwierzętach, a ich wyniki były obiecujące. Na przykład selektywne hamowanie butyrylocholinesterazy przy użyciu fenetylcymseryny podwyższało poziom acetylocholiny w korze szczurów (mierzony mikrodializą in vivo)32, podczas gdy poziom acetylocholinesterazy nie zmieniał się. Inhibitor butyrylocholinesterazy – MF-8622 również podwyższał poziom acetylocholiny w korze mózgu szczurów.14 Selektywne hamowanie butyrylocholinesterazy przez fenetylcymserynę i binorcymserynę poprawiało uczenie się u starszych szczurów.33 Podczas nauki poruszania się w 14-częściowym labiryncie szczury leczone robiły mniej błędów niż nieleczone, choć wyniki pokazały, że poprawa w zakresie zdolności poznawczych nastąpiła po dawkach niższych niż przy stosowaniu selektywnego inhibitora acetylocholinestreazy – fenseryny.34,35 Butyrylocholinesteraza stanowi tylko około 4% aktywności cholinesterazy u szczurów, więc potencjalne korzyści u ludzi powinny być znacznie większe.
Badania na hodowlach tkankowych z fenetylcymseryną i binorcymseryną dowiodły, że redukują one poziom wewnątrz- i zewnątrzkomórkowych prekursorów amyloidu (APP). W chorobie Alzheimera prekursory amyloidu akumulują się w płytkach rozproszonych (nie związanych z komórkami nerwowymi), które są enzymatycznie przetwarzane w płytki gęste związane z degeneracją tkanki nerwowej i klinicznymi objawami otępienia.6 Uważa się, że cholinesterazy mają znaczenie w tej konwersji, ponieważ działają jako peptydazy, rozszczepiając prekursory amyloidu do beta-amyloidu.6
Fenetylcymseryna i binorcymseryna zmniejszają poziom prekursorów amyloidu w hodowlach tkankowych w sposób zależny od dawki i czasu, bez efektu toksycznego, chociaż uważa się, że ich mechanizm nie polega na zwiększaniu aktywności układu cholinergicznego.37,38 Redukcja prekursorów amyloidu prowadzi do znaczącego zmniejszenia ilości beta-amyloidu.33 Wyniki te zostały potwierdzone w badaniach in vivo na zwierzętach z uszkodzoną transmisją cholinergiczną w przodomózgowiu. Inhibitory butyrylocholinesterazy zmniejszały poziom prekursorów amyloidu w mózgu w porównaniu z grupą kontrolną w sposób podobny do inhibitora acetylocholinesterazy – fenseryny.39 Podobnie riwastygmina, która hamuje zarówno acetylocholinesterazę, jak i butyrylocholinesterazę, chroni przed wzrostem APP związanym z uszkodzeniem funkcji cholinergicznych.40 Co ciekawe, u nieleczonych wcześniej szczurów hamowanie butyrylocholinesterazy redukowało poziom endogennych prekursorów amyloidu, które zawierają w swojej cząsteczce kompletny łańcuch beta-amyloidu. Interesujące jest również z punktu widzenia bezpieczeństwa to, że wysokie dawki analogów cykloseryny i MF-8622 podawane gryzoniom nie były związane z typową toksycznością cholinergiczną. Dane te sugerują, że hamowanie acetylocholinesterazy i butyrylocholinesterazy może wpływać na przetwarzanie prekursorów amyloidu, a co za tym idzie na rozwój choroby.

Kliniczne znaczenie hamowania butyrylocholinesterazy

W badaniach Costa i wsp. hamowanie każdej z cholinesteraz w płynie mózgowo-rdzeniowym przy użyciu podwójnego (nieselektywnego) inhibitora riwastygminy korelowało z poprawą funkcji poznawczych u pacjentów z chorobą Alzheimera. Ciekawe, że w przypadku butyrylocholinesterazy ta korelacja była większa niż w przypadku acetylocholinesterazy (Tabela 1).41 Ostatnio stwierdzono również, iż podczas 12-miesięcznego leczenia riwastygminą (3-12 mg/dobę) pacjentów z umiarkowanie nasiloną chorobą Alzheimera, aktywność acetylocholinesterazy i butyrylocholinesterazy w płynie mózgowo-rdzeniowym zależy od dawki leku, a większy efekt obserwuje się w przypadku butyrylocholinesterazy (hamowanie w 41 8% w porównaniu do 35 7%).42 U tych pacjentów, w porównaniu z osobami nieleczonymi zaobserwowano znaczącą poprawę w zakresie funkcji poznawczych, w tym zdolności do skupiania uwagi. W tej samej grupie, badanie PET pokazało wpływ hamowania butyrylocholinesterazy i acetylocholinesterazy na zwiększenie metabolizmu glukozy w obszarach kory związanych z uwagą i pamięcią operacyjną.44 Jak wcześniej wspomniano, wstępne dane z badań nad użyciem riwastygminy w otępieniu z ciałami Lewy’ego wskazują, że genotyp butyrylocholinesterazy i zakres funkcjonalny enzymu może pozwalać na przewidywanie reakcji na terapię inhibitorami cholinesterazy.29 Badania kliniczne sugerują więc, że wykorzystanie substancji, które efektywnie hamują butyrylocholinesterazę a także acetylocholinesterazę, może stanowić nową strategię terapeutyczną w ciągle rozwijającym się leczeniu choroby Alzheimera. Dodatkowe badania z użyciem selektywnych inhibitorów butyrylocholinesterazy powinny pomóc w wyjaśnieniu roli butyrylocholinesterazy w chorobie Alzheimera i sprzyjać rozwojowi nowych metod leczenia.

Wnioski

Istnieje coraz więcej dowodów na to, że butyrylocholinesteraza odgrywa główną rolę w rozwoju objawów w chorobie Alzheimera i podobnych schorzeniach przebiegających z otępieniem. Wyjaśnienie funkcji butyrylocholinesterazy, które obejmują pozasynaptyczną hydrolizę acetylocholiny oraz udział w procesach neuropatologicznych w otępieniu, pozwoli na zwiększenie klinicznej przydatności nowych środków leczniczych. Szczególne przewidywane korzyści z hamowania butyrylocholinesterazy wynikają z jej roli w przetwarzaniu prekursorów amyloidu do neurotoksycznego beta-amyloidu oraz w tworzeniu się płytek starczych. Sugeruje to udział butyrylocholinesterazy w patogenezie choroby. W miarę postępu choroby Alzheimera butyrylocholinesteraza odgrywa coraz większą rolę w regulacji poziomu acetylocholiny, co czyni ten enzym ważnym celem w poprawie deficytu cholinergicznego, niezależnie od stopnia zaawansowania choroby. Wyjaśnieniu przypuszczalnie kluczowej roli butyrylocholinesterazy w etiologii choroby Alzheimera będą towarzyszyć ciągłe poszukiwania środków farmakologicznych z selektywną zdolnością hamowania butyrylocholinesterazy oraz używanie wybiórczych dla pewnych obszarów mózgu leków, mających zdolność hamowania zarówno acetylocholinesterazy, jak i butyrylocholinesterazy.

Artykuł ukazał się w Current Medical Research and Opinion, tom 17,nr 2 , 2002, 1-6.