In vivo onderzoek van de metabotrope glutamaatreceptor type 5 (mGluR5) in relatie tot adenosinesignalering en neuroinflammatie bij experimentele ziekte van Parkinson.

Met een ouder wordende bevolking, gaat ook de zoektocht verder naar een curatieve of op zijn minst een betere symptomatische behandeling van neurodegeneratieve ziekten zoals de ziekte van Parkinson (ZvP). De huidige behandelingen zijn voornamelijk gericht op het herstellen van neurotransmissie in de basale ganglia en focussen zich op de dopaminerge synaps in het striatum, meestal via de dopamine-precursor levodopa. Momenteel slaagt men er met deze behandeling echter niet in om de voortgang van de ziekte te vertragen. Chronisch levodopa gebruik is ook geassocieerd met het optreden van nadelige bijwerkingen, zoals levodopa-geïnduceerde dyskinesieën (LID) en progressieve non-motor symptomen. 

In vivo functionele beeldvorming, zoals positron emissie tomografie (PET), kan worden gebruikt om enerzijds nieuwe targets te identificeren en evalueren, en anderzijds waardevolle informatie te verschaffen over de neuropathologische mechanismen die hiermee gepaard gaan bij patiënten en bij knaagdiermodellen. PET-beeldvorming faciliteert dus de niet-invasieve longitudinale kwantificering van receptorniveaus in de hersenen als potentiële biomarkers voor identificatie, prognose en opvolging van aandoeningen. 

De pathofysiologie van neurodegeneratieve ziekten wordt gekenmerkt door een triade van abnormale eiwitafzetting, excitotoxiciteit en neuro-inflammatie. Aangezien er momenteel nog geen α-synucleine radioligand bestaat, was het doel van dit manuscript om twee ZvP-gerelateerde targets te onderzoeken op een multidisciplinaire manier, namelijk de metabotrope glutamaat receptor type 5 (mGluR5) en de purinerge P2X7 receptor. Deze receptoren spelen een centrale rol in verschillende neuropathologische processen die leiden tot de ziekte van Parkinson, met inbegrip van ontsteking, eiwitafzetting en excitotoxiciteit. 

In hoofdstuk 2 & 3 wilden we de rol van mGluR5 onderzoeken in toxine geïnduceerde modellen. In de vakliteratuur werd aangetoond dat de mGlu5-receptor motorische en cognitieve neurocircuits reguleert die worden aangetast door de ZvP en is daarom een interessant onderwerp voor therapeutische interventies. Tot nu toe heeft het wetenschappelijk onderzoek tegenstrijdige resultaten opgeleverd met betrekking tot de causale rol van mGluR5 bij ZvP en LID. Met behulp van in vivo [18F]FPEB-beeldvorming, evalueerden we of regionale [18F]FPEB-binding significant verschillend was bij zieke dan wel bij gezonde dieren, om ons op deze manier belangrijke inzichten te verschaffen inzake het ziekteproces. In beide hoofdstukken werd PET-beeldvorming gecombineerd met gedragstesten en immunohistochemie om onze in vivo bevindingen te valideren. In het acute 6-OHDA ZvP-model werd een verminderde aanwezigheid van mGluR5 aangetoond in verschillende anatomische regio's geassocieerd met motorische controle, waaronder het striatum, de somatosensorische cortex, motorische cortex en pariëtale associatiecortex, en was het meest uitgesproken in het ipsilaterale striatum. In tegenstelling tot deze eerdere bevinding, vonden we een verhoogde relatieve [18F]FPEB-binding in de motorische en de somatosensorische cortex van LID ratten, dewelke was positief gecorreleerd met ‘abnormale onvrijwillige bewegingsscores’, een beoordelingsschaal voor de ernst van de LIDs. Hoewel de striatale glutamine concentratie significant verhoogd was in zowel ratten behandeld met levodopa als met saline, vonden we geen veranderingen in glutamaatspiegels in dyskinetische of bij onbehandelde ZvP-ratten. We kunnen dus besluiten dat er een verminderde regionale beschikbaarheid van mGluR5 is bij Parkinson dieren en een beperkte toename van mGluR5 bij dyskinetische dieren, gekoppeld aan de ernst van de LIDs. Deze resultaten bevestigen het potentieel van behandelingen met mGluR5-negatieve allosterische modulatoren bij ZvP met LID. 

In hoofdstuk 3 bestudeerden we het quinolinezuur (QA) model dat gelokaliseerde excitotoxiciteit veroorzaakt door overactivering van NMDA-receptoren. Dit is een neuropathologische pathway die frequent in verband wordt gebracht met neurodegeneratieve ziekten zoals ZvP en de ziekte van Huntington. In een longitudinale PET studie analyseerden we het effect van QA op de aanwezigheid van mGluR5 tot 7 weken na injectie. In tegenstelling tot 6-OHDA, dat degeneratie veroorzaakt van presynaptische dopaminerge terminals, leidt een striatale QA-injectie tot post-synaptische dysfunctie van striatale ‘medium spiny neurons’. Zoals verwacht vertoonden QA ratten subtiele motorische symptomen maar geen cognitieve stoornissen. De QA-laesie verminderde de aanwezigheid van mGluR5 in het gebied van striatale degeneratie en ging samen met een achteruitgang van motorische symptomen. Daarnaast toonden we aan dat mGluR5-immunoreactiviteit in het laesiegebied co-lokaliseerde voornamelijk met een marker voor astrocyten. 

Hoewel toxine modellen worden gekenmerkt door zowel robuuste en reproduceerbare neurodegeneratie als door gedragssymptomen, geven deze modellen niet de essentiële pathofysiologische kenmerken weer van het neurodegeneratieve proces bij ZvP-patiënten. Daarom includeerden we een model dat zowel de gedragssymptomen als α-synucleinopathie vertoont, en bestudeerden we ziektegerelateerde modificaties in het glucose metabolisme van de hersenen met behulp van longitudinale [18F]FDG PET beeldvorming (hoofdstuk 4). We observeerden een dynamisch patroon van veranderingen in het regionale glucosemetabolisme, gelokaliseerd in corticale en basale ganglia-structuren, in opeenvolgende stadia van het neurodegeneratieve proces. Zowel in het striatum als de substantia nigra (SN) hielden deze veranderingen verband met motorische symptomen, terwijl een verhoogd glucosemetabolisme in de SN samenviel met focale overexpressie van TSPO, wat wijst op een aanhoudende neuroinflammatie. 

Hoewel het TSPO proteïne lange tijd werd gebruikt voor PET beeldvorming van (neuro)inflammatie, zijn er verschillende nadelen verbonden aan het gebruik van TSPO liganden. Om die reden werd de purinerge P2X7 receptor voorgesteld als een nieuwe marker voor de beeldvorming van neuroinflammatie. In hoofdstuk 5 evalueerden we de aanwezigheid van P2X7 binnen het rAAV2/7 α-synucleïne (α-SYN)- en 6-OHDA-model met behulp van in vitro autoradiografie en vergeleken we deze veranderingen met het TSPO bindingspatroon. Een sterke TSPO overexpressie werd waargenomen in de SN van α-SYN-ratten (hoofdstuk 4), maar werd niet vergezeld door wijzigingen in [11C]JNJ-717 binding. De 6-OHDA laesie, daarentegen, ging gepaard met een focale toename van [11C]JNJ-717 binding en viel grotendeels samen met een verhoogde [18F]DPA-714 opname. Hoewel deze resultaten veelbelovend zijn voor acute inflammatoire aandoeningen, is het essentieel dat de alteraties en pro- dan wel anti-inflammatoire aspecten van P2X7 beeldvorming grondig moeten uitgeklaard worden vooraleer dit target kan worden gebruikt voor de opvolging van neuroinflammatie in vivo.  
 

Dit thesis manuscript toont de waarde van niet-invasieve PET-beeldvorming voor het bepalen van het potentieel van therapeutische targets, gecombineerd met aanvullende ex vivo of in vitro technieken. De implicaties en beperkingen van dit onderzoek worden behandeld in elk respectief hoofdstuk, inclusief een algemene discussie waar ook de toekomstperspectieven besproken worden (hoofdstuk 6).