Nicotinic acetylcholine receptors in experimental models of Parkinson’s disease and levodopa-induced dyskinesia : focus on α5 subunit-containing receptors
No cure exists for Parkinson’s disease (PD), a disease marked by the degeneration of dopaminergic neurons of the substantia nigra pars compacta (SNC), a loss of dopamine in the dorsal striatum, and resulting motor symptoms. Furthermore, treatment of PD with levodopa is often complicated by abnormal involuntary movements (levodopa-induced dyskinesia, LID). Novel treatment options for PD and LID are thus greatly needed. Nicotinic acetylcholine receptors represent one possible novel treatment target, given the complex control they exert over dopaminergic neurotransmission, protective effects of smoking against PD, and extensive preclinical evidence of neuroprotective and antidyskinetic effects by nicotinic receptor ligands. Nicotinic receptor subtypes essential for nigrostriatal dopaminergic neurotransmission include those containing the α5 subunit, which have not been previously studied in the context of PD.
In this thesis, further preclinical investigations of the role of nicotinic receptors in PD and LID were carried out. An extensive in vivo and ex vivo characterization of the role of α5-containing receptors in mouse models of PD was performed. The effects on LID by chronic nicotine treatment in drinking water and other drug treatments were studied in vivo utilizing mouse models of both moderate and severe PD and LID. The mechanisms of action underlying LID and the antidyskinetic effects of nicotine were studied by ex vivo measurements of striatal dopamine release and corticostriatal brain-derived neurotrophic factor (BDNF). In parallel, methods for stereotactic surgery and postoperative care were significantly improved.
Mice lacking α5-containing nicotinic receptors were found to be less susceptible to unilateral nigrostriatal neurodegeneration, the resulting interhemispheric motor imbalance, and LID. Striatal dopamine uptake measurements suggested reduced dopamine transporter function as a possible mechanism of neuroprotection. Nicotine was found to inhibit LID, with findings suggesting a role for α6β2* nicotinic receptors. However, neither nicotinic receptor agonists nor the clinically used drug amantadine alleviated severe LID associated with near-total dopaminergic denervation. The findings also confirmed a correlation between striatal BDNF and LID. The present findings suggest the potential usability of α5-containing nicotinic receptors as a drug target against PD and LID. The findings also confirm the preclinical potential of nicotine as an antidyskinetic drug while suggesting limited efficacy in advanced PD. In addition, the findings expand previous knowledge on the possible mechanisms of LID and the antidyskinetic effects of nicotine.Parkinsonin taudin motoriset oireet aiheutuvat mustatumakkeen dopamiinihermosolujen rappeutumisesta ja dopamiinin puutoksesta aivojuoviossa. Sairaudelle ei ole löydetty parantavaa hoitoa. Lisäksi tahdottomat liikkeet (dyskinesia) vaikeuttavat usein sairauden hoitoa levodopa-lääkeaineella. Uusia mahdollisuuksia Parkinsonin taudin ja dyskinesian hoitoon siis tarvitaan. Asetyylikoliinin nikotiinireseptorit voisivat tarjota yhden mahdollisen uuden lääkevaikutuskohteen, sillä ne säätelevät aivojen dopamiinijärjestelmää, tupakoinnin tiedetään suojaavan Parkinsonin taudilta, ja laaja prekliininen näyttö viittaa nikotiinireseptoriligandeilla olevan hermosoluja suojaavia ja dyskinesiaa lieventäviä vaikutuksia. Dopaminergisen hermovälityksen kannalta oleellisiin nikotiinireseptoriala-tyyppeihin kuuluvat α5-alayksikön sisältävät reseptorit, joiden yhteyttä Parkinsonin tautiin ei aiemmin ole tutkittu.
Tässä väitöskirjassa tutkittiin nikotiinireseptorien merkitystä Parkinsonin taudissa ja levodopan aiheuttamassa dyskinesiassa. α5-alayksikön sisältävien nikotiinireseptorien merkitystä Parkinsonin taudin ja dyskinesian hiirimalleissa tutkittiin kattavin in vivo- ja ex vivo-kokein. Juomaveden kautta annetun pitkäkestoisen nikotiinikäsittelyn ja muiden lääkehoitojen vaikutuksia tutkittiin sekä kohtalaisen että pitkälle edenneen Parkinsonin taudin ja dyskinesian hiirimalleissa. Dyskinesian ja nikotiinin dyskinesiaa lievittävien vaikutusten mekanismeja tutkittiin mittaamalla ex vivo dopamiinin vapautumista aivojuoviosta sekä aivoperäisen hermokasvutekijän (BDNF) pitoisuuksia aivoissa. Samanaikaisesti stereotaktisten leikkausten ja leikkauksen jälkeisen hoidon menetelmiä kehitettiin merkittävästi.
α5-poistogeenisten hiirten havaittiin olevan vähemmän herkkiä dopamiinihermojen toispuoleiselle tuhoutumiselle, siitä johtuvalle aivopuoliskojen motoriselle epätasapainolle sekä levodopan aiheuttamalle dyskinesialle. Dopamiinin soluunottoa aivojuoviossa mitanneiden kokeiden perusteella dopamiinin kuljettajaproteiinin heikentynyt toiminta saattoi olla yksi hermosoluja suojaava mekanismi. Nikotiinin todettiin lievittävän levodopan aiheuttamaa dyskinesiaa, ja α6β2* nikotiinireseptorit voivat olla tärkeitä tämän vaikutuksen välittäjiä. Nikotiinireseptorien agonistit tai kliinisesti käytetty lääkeaine amantadiini eivät kuitenkaan lievittäneet vakavaa, lähes täydelliseen dopamiinihermokatoon liittyvää dyskinesiaa. Tutkimuslöydökset myös vahvistivat yhteyden BDNF:n ja levodopan aiheuttaman dyskinesian välillä. Tutkimuksen tulokset viittaavat siihen, että α5-alayksikön sisältävät nikotiinireseptorit voisivat olla mahdollinen uusi vaikutuskohde Parkinsonin taudin hoidossa. Löydökset myös vahvistavat nikotiinin olevan mahdollinen levodopan aiheuttaman dyskinesian hoitomuoto, mutta viittaavat siihen, että hoitovaste pitkälle edenneessä Parkinsonin taudissa voi olla heikko. Lisäksi tutkimus laajentaa aiempaa tietämystä dyskinesian ja nikotiinin dyskinesiaa lievittävien vaikutusten mahdollisista mekanismeista
