Nederlandse samenvatting

Zuurstofradicalen en antioxidanten in multiple sclerosis

1. Multiple sclerosis Multiple sclerose (MS) is een chronische ontstekingsziekte van het centraal zenuwstelsel (CZS, hersenen en ruggenmerg) die vooral veel voorkomt bij jong volwassenen. MS wordt gekenmerkt door beschadigingen van het myeline, de isolatielaag om de zenuwen. Door deze beschadigingen wordt de prikkelgeleiding door de zenuwen verminderd, waardoor verlammings- en uitvalsverschijnselen ontstaan die MS kenmerken. De beschadigingen aan het myeline worden veroorzaakt door cellen van het immuunsysteem, voornamelijk witte bloedcellen, die massaal het CZS infiltreren en ontstekingshaarden (laesies) vormen. Een van de witte bloedcellen die een belangrijke rol speelt tijdens MS is de monocyt. Eenmaal binnengedrongen in het CZS ontwikkelt de monocyt zich tot geactiveerde macrofaag, die myeline opneemt (fagocyteren) en afbreekt. Voordat monocyten het CZS kunnen binnendringen moeten zij eerst de bloedvatwand van de hersenen passeren. De bloedvaten van de hersenen zijn anders georganiseerd dan de bloedvaten in de rest van het lichaam. Ze beschermen de hersenen doordat ze minder doorlaatbaar zijn voor cellen en grote eiwitten en vormen de bloed-hersenbarrière (BHB; Figuur 1). De bloedvatwand van de BHB bestaat uit lange platte cellen, de hersenendotheelcellen, welke verbonden zijn door tight junctions (TJ). Dit zijn eiwitstructuren die ervoor zorgen dat de hersenendotheelcellen als het ware aan elkaar geritst zijn en zo een ondoorlaatbaar hekwerk vormen. Astrocyten vormen ook een belangrijke component van de BHB. Tegen de hersenendotheelcellen bevinden zich uitlopers van astrocyten, die stoffen uitscheiden, waardoor hersenendotheelcellen TJs blijven vormen. Tussen de astrocyten en hersenendotheelcellen bevindt zich een netwerk van eiwitten die uitgescheiden worden door zowel de astrocyten als de hersenendotheelcellen. Dit netwerk zorgt er samen met de hersenendotheelcellen, TJs en astrocyten voor dat de BHB ondoorlaatbaar is voor bloedcomponenten en immuuncellen.

Tijdens MS kunnen monocyten de BHB echter wel passeren. Migratie van monocyten over de BHB gebeurt in verschillende stappen. Eerst rollen monocyten over het endotheel, waarna ze zich hechten. Tijdens dit hechten geven monocyten en hersenendotheelcellen signalen aan elkaar, waardoor ze bijvoorbeeld van vorm kunnen veranderen en hersenendotheelcellen hun TJs openen. Pas daarna kunnen monocyten door het hersenendotheel migreren, het CZS in. De signalen kunnen gegeven worden via kleine eiwitten in de cel, maar ook door zuurstofradicalen. 2. Zuurstofradicalen en antioxidanten Zuurstofradicalen of vrije radicalen zijn kortlevende, agressieve deeltjes die gevormd worden tijdens het celmetabolisme. Ook kunnen zuurstofradicalen gevormd en uitgescheiden worden door witte bloedcellen, zoals macrofagen, om ziekteverwekkers te doden tijdens ontstekingsreacties. Zuurstofradicalen zijn erg reactief en kunnen reageren met eiwitten, vetten, en DNA, waardoor ze grote schade toebrengen aan cellen, wat uiteindelijk kan leiden tot celdood. Cellen kunnen zich beschermen tegen de schadelijke effecten van zuurstofradicalen met behulp van antioxidanten, die zuurstofradicalen wegvangen en omzetten tot niet-reactieve stoffen. Naast de antioxidanten die de cel zelf produceert krijgen we ook antioxidanten binnen via het voedsel. Voorbeelden hiervan zijn vitamine C en vitamine E. Normaal gesproken beschikken cellen over voldoende bescherming tegen reactieve zuurstofdeeltjes. Echter, wanneer een onbalans ontstaat tussen de hoeveelheid zuurstofradicalen die gevormd worden en de hoeveelheid antioxidanten, bijvoorbeeld doordat de productie van zuurstofradicalen sterk toeneemt of de antioxidant capaciteit afneemt, ontstaat oxidatieve stress. Onderzoek heeft aangetoond dat oxidatieve stress een rol speelt bij verscheidene ziektebeelden, zoals hartziekten, kanker en neurologische aandoeningen, waaronder MS. De studies beschreven in dit proefschrift richten zich op de rol van zuurstofradicalen tijdens verschillende fasen van het vormen van ontstekingshaarden in MS en de cellulaire aanpassingen aan de aanwezigheid van zuurstofradicalen. Een beter begrip van de processen die plaatsvinden tijdens de vorming van MS laesies zou namelijk kunnen leiden tot de ontwikkeling van medicijnen die dit proces kunnen stoppen. 3. Promotieonderzoek 3.1 De rol van zuurstofradicalen tijdens monocyt-migratie over de bloed-hersenbarrière Het doel van het eerste deel van dit proefschrift is uit te zoeken via welke mechanismen zuurstofradicalen migratie van monocyten over de BHB beïnvloeden. In hoofdstuk 2 laten we zien dat tijdens het hechten van monocyten aan hersenendotheelcellen zuurstofradicalen gevormd worden, die de doorlaatbaarheid van de BHB vergroten. Zuurstofradicalen kunnen worden weggevangen door antioxidanten. Een van deze antioxidanten die we gebruiken in ons onderzoek is lipoinezuur. We laten we zien dat lipoinezuur in staat is om migratie van monocyten over de BHB te verminderen, zowel in een celkweek als in het diermodel voor MS, experimentele allergische encephalomyelitis (EAE). Ratten die behandeld werden met lipoinezuur ontwikkelden niet de verlammingsverschijnselen die kenmerkend zijn voor EAE, en ook vonden we geen immuuncellen in het CZS. Lipoinezuur remt migratie van monocyten door de integriteit van de BHB te beschermen, onder andere door ervoor te zorgen dat zuurstofradicalen geen veranderingen in de vorm van endotheelcellen kunnen induceren. Zuurstofradicalen die gevormd worden tijdens de hechting van monocyten aan hersenendotheelcellen verhogen de doorlaatbaarheid van de BHB door het cytoskelet (eiwitten die zorgen voor de vorm van een cel) en de TJs van hersenendotheelcellen te veranderen. Deze veranderingen vinden plaats via kleine eiwitten, die signalen doorgeven naar andere eiwitten (signaal-transductie). We hebben gevonden dat superoxide, een van de zuurstofradicalen, signalen doorgeeft in hersenendotheelcellen via drie van de signaaltransductie-eiwitten (Rho, PI3 kinase en PKB) en dat deze eiwitten signalen doorgeven aan het cytoskelet en de TJs. Ook hebben we laten zien dat, wanneer de werking van deze signaal-transductie eiwitten geblokkeerd wordt, zuurstofradicalen geen veranderingen meer teweeg brengen in het cytoskelet en de TJs van hersenendotheelcellen en de migratie van monocyten over de BHB vermindert. Dit wordt beschreven in hoofdstuk 3. Behalve signaaltransductie-eiwitten kunnen er ook andere eiwitten betrokken zijn bij superoxide-geïnduceerde BHB-permeabiliteit en monocyt-migratie. Om deze te vinden hebben we gekeken naar de eiwitexpressie van hersenendotheelcellen voor en na blootstelling aan superoxide. In hoofdstuk 4 laten we zien dat een aantal eiwitten veranderd tot expressie komt in superoxide-behandelde hersenendotheelcellen. Een aantal van deze eiwitten zijn betrokken bij de stofwisseling van cellen, andere eiwitten zijn betrokken bij de regulatie van het cytoskelet. Een van de eiwitten die verhoogd tot expressie kwam was peroxiredoxin-1. Dit is een antioxidant, die betrokken is bij bescherming tegen zuurstofradicalen, maar ook een rol speelt in signaaltransductie. Om verder te onderzoeken welke rol peroxiredoxin speelt in BHB-permeabiliteit en monocytmigratie hebben wij een cellijn gemaakt die meer peroxiredoxin tot expressie brengt dan de normale hersenendotheelcellijn. Verhoogde expressie van peroxiredoxin-1 zorgde ervoor dat hersenendotheelcellen beter beschermd waren tegen de schadelijke effecten van zuurstofradicalen. Bovendien zorgde peroxiredoxin-1 ervoor dat monocyten minder goed in staat waren om over de BHB te migreren. Als we weten welke eiwitten en signaaltransductieroutes een rol spelen tijdens de migratie van monocyten over de BHB, kunnen we in de toekomst, door deze eiwitten uit te schakelen, voorkomen dat monocyten naar het CZS migreren en nieuwe ontstekingshaarden veroorzaken bij MS patiënten. 3.2 Cellulaire aanpassingen aan oxidatieve stress in het centraal zenuwstelsel Monocyten produceren niet alleen zuurstofradicalen tijdens migratie over de BHB, maar ook tijdens het fagocyteren van myeline in het CZS. Alle lichaamscellen kunnen zichzelf beschermen tegen zuurstofradicalen met antioxidanten (kleine eiwitten en antioxidantenzymen) die aanwezig zijn in de cel. Echter, wanneer de concentratie van zuurstofradicalen zo hoog wordt dat de antioxidanten deze niet meer kunnen wegvangen ontstaat oxidatieve stress. Cellen hebben een mechanisme om zich te beschermen tegen oxidatieve stress, de zogenaamde oxidatieve stress response. Deze response zorgt ervoor dat antioxidant-enzymen worden gemaakt, die de cel moeten beschermen tegen de schadelijke effecten van zuurstofradicalen. In het tweede deel van dit proefschrift hebben we gekeken naar de expressie en regulatie van deze antioxidantenzymen in de hersenen van MS patiënten en EAE dieren. In hoofdstuk 6 hebben we gekeken naar genexpressie van antioxidantenzymen in hersenen van ratten met EAE. Hieruit bleek dat verschillende antioxidantenzymen verhoogd tot expressie komen op de piek van de ziekte, wanneer de dieren de ergste verlammingsverschijnselen hebben. Dit is ook de fase van de ziekte waarin de meeste monocyten in het CZS te vinden zijn. In de hersenen van ratten die behandeld waren met de antioxidant lipoinezuur was de expressie van antioxidantenzymen gelijk aan die van gezonde controle dieren. De verhoogde expressie van antioxidant enzymen impliceert dat er inderdaad oxidatieve stress optreedt tijdens de piek van EAE. Dat deze dieren (en ook MS patiënten) toch ziek worden duidt erop dat de expressie van antioxidant-enzymen niet genoeg is om schade te voorkomen. Een van de antioxidantenzymen die worden aangemaakt als gevolg van de oxidatieve stress response is het eiwit NAD(P)H:quinone oxidoreductase, kortweg NQO1. Dit enzym wordt verhoogd tot expressie gebracht in neurodegeneratieve ziektes zoals de ziekte van Parkinson en de ziekte van Alzheimer, waarbij zuurstofradicalen ook een belangrijke rol spelen. In hoofdstuk 7 hebben wij gekeken naar de expressie van NQO1 in breinen van MS patiënten. Wij zagen dat NQO1 voornamelijk verhoogd tot expressie wordt gebracht in actieve MS laesies. Behalve naar NQO1 hebben ook gekeken naar de expressie van andere antioxidant enzymen in MS laesies, zoals superoxide dismutase (SOD), peroxiredoxin-1 (Prx-1), catalase en heme-oxygenase (HO-1). Dit staat beschreven in hoofdstuk 8. Deze eiwitten kwamen ook verhoogd tot expressie in actieve MS laesies. Dit zijn laesies met veel geïnfiltreerde macrofagen die myeline hebben gegeten, zogenaamde schuimcellen. NQO1 en andere antioxidant enzymen kwamen met name verhoogd tot expressie in deze schuimcellen en in astrocyten, maar niet in neuronen (zorgen voor de prikkelgeleiding) en oligodendrocyten (vormen de myelinelaag om de zenuwen), cellen die juist beschadigd zijn in MS. Wij denken dat neuronen en oligodendrocyten de capaciteit missen om als reactie op oxidatieve stress antioxidantenzymen aan te maken, waardoor deze celtypes extra gevoelig zijn voor oxidatieve stress, zoals optreedt tijdens MS. Als wij bij MS patiënten deze cellen kunnen prikkelen meer antioxidantenzymen te maken, kunnen wij ze misschien beschermen tegen de schade die optreedt tijdens MS.

4. Conclusie Samenvattend hebben we laten zien dat zuurstofradicalen betrokken zijn bij de migratie van monocyten over de BHB, maar ook bij latere pathologische processen die een rol spelen tijdens de vorming van ontstekingshaarden in MS. We hebben laten zien welke signaaltransductieroutes aangezet worden door zuurstofradicalen, waardoor de BHB open gaat. Met antioxidanten kunnen we deze processen stoppen en daardoor de migratie van monocyten over de BHB voorkomen. In hersenweefsel van EAE dieren en MS patiënten zien we dat cellen in het CZS zelf wel meer antioxidantenzymen maken dan cellen van gezonde mensen, maar blijkbaar is dit niet voldoende om te beschermen tegen infiltratie van monocyten en tegen de schade die ontstaat door oxidatieve stress. Het toedienen van antioxidanten of stoffen die de aanmaak van eigen antioxidantenzymen stimuleren via voedsel of een injectie zou in de toekomst kunnen helpen om de migratie van monocyten naar het CZS en daarmee het ontstaan van nieuwe ontstekingshaarden in MS te voorkomen.