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den SMN knock-down nicht und durch pharmakologische Intervention nur wenig beeinflusst

5.4 ROCK-Inhibition als therapeutische Option

Bislang gibt es keine etablierte Therapie, die die Pathologie der Spinalen Muskelatrophie beeinflussen kann, sondern es wird nur eine symptomatische Therapie eingesetzt, die auf die Prophylaxe und die Behandlung von Komplikationen ausgerichtet ist. Mit Hilfe von Zellkultur- und Tiermodellen sind in den letzten Jahren verschiedene Substanzen und Therapieansätze entwickelt worden, die z.T. schon in klinischen Studien erprobt werden. Dabei werden unterschiedliche Strategien verfolgt. Zum Einen wird versucht, den SMN-Proteinspiegel zu steigern. Die ersten dafür verwendeten Substanzen sind die Histon-Deacetylase (HDAC)-Inhibitoren Sodiumbutyrat und Valproat gewesen, die unspezifisch die Transkription einiger Gene, darunter das SMN-Gen, durch die Hemmung der HDACs erhöhen und das Spleißen der SMN2-mRNA positiv beeinflussen können (Brichta et al., 2003; Chang et al., 2001).

Beide zeigten in SMA-Mausmodellen einen Anstieg der SMN-Proteinkonzentrationen sowie ein verbessertes klinisches Outcome (Chang et al., 2001; Tsai et al., 2008). In klinischen Phase II-Studien

59 tolerierten SMA-Patienten die Gabe von Sodiumbutyrat oder Valproat gut, jedoch blieben erwünschte Effekte wie axonale Reinnervation und Verbesserung der Klinik aus (Mercuri et al., 2007; Swoboda et al., 2009). Neuere Untersuchungen mit weiteren HDAC-Inhibitoren wie SAHA oder LBH589 scheinen erfolgsversprechender, da LBH589 in SMA-Fibroblasten die bislang höchsten SMN-Proteinspiegel erzielen und SAHA in zwei SMA-Mausmodellen lebensverlängernd und positiv auf das Überleben der Motoneurone sowie der NMJs wirken konnten (Garbes et al., 2009; Riessland et al., 2010). Eine andere Möglichkeit, die Menge des SMN-Proteins zu steigern, ist die Korrektur des Spleißens der SMN2-mRNA, um anstelle des SMNΔ7- das vollständige SMN-Protein inklusive Exon7 zu erhalten. Umgesetzt wird dies durch Antisense-Oligonukleotide (ASO), die komplementär zu verschiedenen Abschnitten der SMN2-mRNA sind und entweder Splicing-Silencer hemmen oder Splicing-Enhancer fördern sollen, Exon 7 als solches zu erkennen. Nach Erfolgen in Zellkulturmodellen konnten Hua et al. mit den von ihnen entwickelten ASOs die SMN-Proteinmenge, die Exon7 enthält, in Leber und Niere von SMA- Mäusen steigern (Hua et al., 2008). Eine jüngere Studie mit anderen ASOs erzielte in einem SMA Typ I-Mausmodell eine signifikante Verbesserung der Symptome und eine Lebensverlängerung (Meyer et al., 2009). Auch die Gentherapie, also das Einschleusen des SMN1-Gens mit Hilfe eines Vektors, ist eine Strategie, die SMN-Proteinmenge zu erhöhen. Die Arbeitsgruppe um Kaspar bediente sich des self complementary adeno-associated virus, kurz scAAV9, um die Blut-Hirnschranke nach systemischer Gabe zu überwinden und konnte damit in SMA-Mäusen und in zur Primatengattung gehörenden Makaken das SMN-Transgen in Motoneurone einbringen (Bevan et al., 2011; Foust et al., 2010). In den SMA-Mäusen, die scAAV9 erhalten hatten, zeigte sich eine deutliche Milderung der Symptomatik und eine starke Lebensverlängerung, allerdings nur bei Gabe kurz nach der Geburt (Foust et al., 2010). Dagegen war das Einschleusen des SMN-Transgens in Makaken auch noch 90 Tage postnatal ohne Probleme möglich. Außerdem wurde das SMN-Transgen nicht nur in Motoneuronen sondern auch in der Skelettmuskulatur und in peripheren Organen gefunden, was für einen systemischen Therapieansatz von Bedeutung wäre (Bevan et al., 2011).

Eine andere Behandlungsstrategie befasst sich mit der symptomatischen Therapie der Motoneurone, ohne primär die SMN-Proteinmenge verändern zu wollen. Im Rahmen der Stammzelltherapie werden induzierte pluripotente Zellen (iPSC) generiert, aus denen Motoneurone hergestellt werden, die wiederum ins Rückenmark transplantiert werden können. Der Einsatz in SMA-Mäusen führte zu längerem Überleben, weniger Gewichtsverlust und einer deutlichen Zunahme der motorischen Fähigkeiten im Vergleich zu unbehandelten Tieren. Da die transplantierten Motoneurone zwar überlebten, jedoch keine funktionsfähigen Verbindungen zu Muskelzellen aufbauten, wird der positive Effekt der signifikanten Zunahme neurotropher Faktoren, die von den Transplantaten ausgeschüttet werden, zugesprochen (Corti et al., 2010).

Diskussion

60 Eine weitere Möglichkeit, Motoneurone zu stabilisieren und zu fördern, ist der Eingriff in die durch SMN-Defizienz beeinträchtigten Signalkaskaden, insbesondere der RhoA-ROCK-Signalkaskade.

Nachdem die Gruppe um Kothary - wie wir - ebenfalls Veränderungen im Profilin 2-Haushalt beobachtete (Bowerman et al., 2009; Bowerman et al., 2007), setzte sie den ROCK-Inhibitor Y-27632 in einem intermediären SMA-Mausmodell mit signifikanten Erfolgen ein (Bowerman et al., 2010).

Die behandelten Mäuse wiesen eine Lebensspanne von 14 - 33 Wochen anstelle von einem Monat bei unbehandelten Tieren auf, neurologische Auffälligkeiten waren deutlich reduziert und sie scheuten sich im Gegensatz zu nicht therapierten Mäusen nicht, sich zu bewegen. Bei der Untersuchung der neuromuskulären Endplatten ist eine deutlich verbesserte Reifung festgestellt worden, die jedoch nicht der von Wildtyp-Mäusen entsprach. Auch konnte die Gabe von Y-27632 nicht den Untergang von Motoneuronen verhindern, vielmehr wurde anscheinend nur das Überleben derjenigen Motoneurone gefördert, die ohnehin überlebt hätten (Bowerman et al., 2010). Auch unsere Arbeitsgruppe hat den Einsatz von Y-27632 untersucht, allerdings im Rahmen des SMA-PC12-Zellkulturmodells. Dabei zeigte sich in Abwesenheit neurotropher Faktoren ein leicht stimulierender Effekt durch Y-27632, eine Kompensation des reduzierten SMN-Proteinspiegels und der damit verbundenen Hemmung des Neuritenwachstums blieb jedoch aus (van Bergeijk, 2007). Da hingegen die in dieser Arbeit verwendeten RhoA-/ROCK-Inhibitoren C3bot und Fasudil unter gleichen Versuchsbedingungen im gleichen SMA-PC12-Zellkulturmodell eine funktionelle Wiederherstellung der Neuritenlänge erzielen konnten, ist somit eine Verstärkung des positiven Effekts beim Einsatz in SMA-Mäusen im Vergleich zu Y-27632 vorstellbar. Dessen ungeachtet ist mit der Verwendung von Y-27632 in SMA-Mäusen prinzipiell in vivo gezeigt worden, dass die RhoA-ROCK-Signalkaskade einen möglichen Angriffspunkt für eine therapeutische Intervention der SMA darstellt, jedoch nicht als alleinige Therapie ins Auge gefasst werden sollte.

5.5 Ausblick

Ziel dieser Arbeit war es, den ROCK-Weg als mögliches Target für die Therapie der SMA zu untersuchen. Es konnte gezeigt werden, dass Fasudil, C3bot und fMLP die unter SMN-Reduktion aufgetretene Neuritenverkürzung vollständig kompensieren konnten, aber ein direkter Zusammenhang zum Aktivitäts- bzw. Phosphorylierungsmuster von Cofilin konnte nicht hergestellt, jedoch - wie in 5.3 diskutiert – auch nicht gänzlich ausgeschlossen werden. Um zu überprüfen, ob Cofilin eventuell doch die Wirkung von Fasudil, C3bot und fMLP vermittelt, könnten weiterführende Experimente das Phosphorylierungsmuster Cofilins zu früheren Zeitpunkten bei sonst gleichem Versuchsaufbau wie in 4.4 messen, beispielsweise bereits zwei Stunden nach Zugabe der Substanzen. Eine andere Möglichkeit, die außerdem die Schwierigkeiten der Transfektion der PC12-Zellen mittels

61 Elektroporationsverfahren umgehen würde, wäre eine Wiederholung des Versuchsaufbaus aus 4.2 mit zusätzlicher Co-Transfektion einer shRNA gegen Cofilin, um dessen Proteinspiegel zu reduzieren.

Führt die Zugabe von Fasudil, C3bot und fMLP trotz Cofilin knock-downs zu einer ebenso deutlichen Wiederherstellung der Neuritenlänge unter SMN-Reduktion, ist die Vermittlung dieses Effekts durch Cofilin unwahrscheinlich. Wie in 5.3 aufgezeigt, könnte aber auch Profilin der entscheidende Faktor sein, der durch Modulation der ROCK-Signalkaskade das physiologische Neuritenwachstum bei SMN-Defizienz generiert, so dass auch das Phosphorylierungsmuster von Profilin untersucht werden sollte.

Unabhängig vom molekularen Wirkmechanismus sollten die verwendeten Substanzen nach erfolgreichem Einsatz im SMA-PC12-Zellkulturmodell nun als potenzielle SMA-Therapie im Tiermodell erforscht werden. Hierbei sollte Fasudil im Vordergrund stehen, da es bereits für andere Indikationen in Phase II und III-Studien in den USA getestet und somit am ehesten als Medikament zugelassen sein wird. Die Versuche in SMA-Mäusen werden bereits von unserer Arbeitsgruppe geplant.

Betrachtet man die Entwicklung der SMA-Forschung, so sind in den letzten Jahren viele neue Foki hinzugekommen und viele neue molekulare Zielstrukturen entdeckt worden, besonders im Bereich der Therapieforschung. Nichtsdestotrotz ist die molekulare Pathogenese unklar geblieben und ein wirksames Medikament fehlt weiterhin. Auch die elementaren Fragen, z.B. ob die Erkrankung primär eine neuronale oder eine muskuläre oder gar eine systemische Erkrankung ist, oder aber welcher Funktionsverlust des SMN-Proteins entscheidend für die Entstehung und Ausprägung des Krankheitsbildes ist, sind noch nicht abschließend geklärt worden. Auf dem Weg zu den Antworten auf diese Fragen liefert die Forschung an der ROCK-Signalkaskade und den downstream Effektoren einen weiteren, wichtigen Beitrag und errichtet möglicherweise die Basis für einen neuen klinischen Therapieansatz.

Zusammenfassung

62

6 Zusammenfassung

Die proximale Spinale Muskelatrophie (SMA) ist eine neurodegenerative Erkrankung, die autosomal-rezessiv vererbt wird. Charakteristisch für die SMA ist die progrediente Degeneration der Motoneurone im Rückenmark und im Hirnstamm, die sich klinisch in einer typisch symmetrischen Muskelschwäche äußert und bei der schwersten Verlaufsform durch eine zunehmende respiratorische Insuffizienz frühzeitig in den Tod mündet. Eine effektive Therapie existiert bislang nicht. Ursache der Erkrankung ist der Mangel an survival of motoneuron (SMN)-Protein bedingt durch Deletion oder Mutation des SMN1-Gens. Das ubiquitär exprimierte SMN-Protein ist neben vielen weiteren Funktionen mit der Regulation des Aktin-Zytoskeletts assoziiert. Unsere Arbeitsgruppe konnte zeigen, dass eine Reduktion des SMN-Proteinspiegels in differenzierten PC12-Zellen hemmend auf deren neuronales Wachstums wirkt und zu veränderten Phosphorylierungsmustern von Proteinen führt, die am dynamischen Auf- und Abbau von Aktinfilamenten beteiligt sind. So ließ sich eine Hypophosphorylierung von Cofilin und eine Hyperphosphorylierung von Profilin 2 beobachten. Beide sind Effektoren der RhoA-bindenden Kinase (ROCK), die wiederum durch die GTPase RhoA reguliert wird.

In dieser Arbeit wurde die Bedeutung der Modulation einer Aktin-regulierenden Signalkaskade auf die morphologischen und biochemischen Veränderungen, die durch einen Mangel an SMN-Protein bedingt sind, in dem SMA-Zellkulturmodell unserer Arbeitsgruppe untersucht. Als Angriffsorte dienten ROCK und RhoA, sowie die p21-aktivierte Kinase (PAK). Diese gehört zur Rac1/Cdc42-PAK-Signalkaskade, einem weiteren Aktin-regulierenden Signalweg, der sich bezüglich neuronalem Wachstum und neuronaler Regeneration gegensätzlich zum RhoA-ROCK-Weg verhält. Hierfür verwendet wurden Fasudil als ROCK-Inhibitor, C3bot als RhoA-Inhibitor und fMLP als PAK-Aktivator, wobei das bereits in Japan für andere Indikationen zugelassene Fasudil das größte Potential in der Therapieforschung hat. Es konnte gezeigt werden, dass die SMN-Reduktion in differenzierten PC12-Zellen eine signifikante Verkürzung der neuronalen Ausläufer bewirkt, die sowohl durch Fasudil und C3bot als auch durch fMLP vollständig kompensiert werden konnte. Neben der Länge der Neuriten wurde auch die Anzahl der neuronalen Ausläufer unter SMN knock-down Bedingungen untersucht. Diese blieb jedoch in Ab- als auch in Anwesenheit der Modulatoren unverändert. Da Cofilin sowohl von der RhoA-ROCK- als auch von der Rac1/Cdc42-PAK-Signalkaskade ein Effektorprotein ist, sollte in weiteren Experimenten geklärt werden, ob Cofilin den stimulierenden Einfluss auf das Neuritenwachstum von Fasudil, C3bot und fMLP bei SMN-Reduktion vermittelt. Es konnten jedoch keine Veränderungen des Phosphorylierungsmusters von Cofilin unter Zugabe der Modulatoren beobachtet werden.

Die Ergebnisse dieser Arbeit legen nahe, dass die Modulation der ROCK-Signalkaskade als Aktin-regulierendem Weg eine neue vielversprechende Option in der Therapieforschung der SMA darstellt.

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