Mats Sandberg
Research project: Molecules in
nerve cell death
Collaborators: Mattias Tranberg, Malin Stridh
Summary:
Målgrupp: Allmänhet/skola
DÖDS- OCH MINNESMOLEKYLER
Jag forskar om hjärnans signalsystem, som styr våra tankar och rörelser och ger
oss vårt minne och medvetande. De elektriska signalerna transporteras från
nervcell till nervcell med kemiska ämnen, signalsubstanser. Signalen alstras
när signalsubstansen sätter sig fast på mottagarmolekyler, receptorer, på
nervcellerna. Jag studerar bland annat glutamat, en av hjärnans viktigaste
signalsubstanser. En kraftig kort stimulering av glutamat kan ge upphov till
förstärkt signalering, en form av minne på cellnivå. Men om stimuleringen
håller på för länge dör nervcellen. Det sker bland annat vid slaganfall, när en
propp i ett blodkärl ger syrebrist i hjärnan. Vid syrebristen svämmar stora
mängder glutamat ut från nervcellerna. Mottagarcellerna blir överstimulerade och
dör, antingen genast eller efter något dygn. Om celldöden är fördröjd kan det
finnas tid att stoppaden, genom att tillföra ett ämne som blockerar glutamatets
skadliga effekter. Jag försöker dels ta reda på mekanismerna bakom celldöden
dels förhindra den. Jag odlar hjärnvävnad från råtta och utsätter den för
syrebrist. Sedan mäter jag giftiga substanser som syrebristen skapar. Jag
undersöker också vilka celler som dött och vilka som överlevt. Forskningen kan
på sikt användas för att få fram läkemedel som minskar hjärnskador efter
slaganfall och andra sjukdomar i hjärnan.
Målgrupp: Högskolestuderande
MOLEKYLER I NERVCELLSDÖD
Bakgrund
Elektriska signaler i hjärnan styr allt ifrån våra mest basala beteenden till
de mest komplexa funktioner. Överföring av elektriska signaler mellan
nervceller förmedlas vid nervändslut av kemiska signalämnen (transmittorer).
Aminosyran glutamat är transmittor i ca 50% av hjärnans synapser, dessutom har
ett hundratal olika kemiska ämnen som kan modulera överföring vid nervändsluten
identifierats. Frisättning av glutamat och aktivering av glutamat-receptorer är
alltså fundamentalt för vår existens på alla plan. En kraftig kort retning av
glutamat-receptorer kan leda till en synaptisk potentiering som kallas
långtidspotentiering (LTP), en minneslik förstärkning av synapssvaret som kan
bestå upp till flera veckor. Märkligt nog orsakar längre (>10 min)
överaktivering av glutamat-receptorer nervcellsdöd, s.k. excitotoxicitet (detta
har gjort att man myntat begreppet "Jekyl and Hyde molecule" för
glutamat). Sådan överaktivering sker bl.a. vid okontrollerad frisättning av
glutamat under syrebrist vid t.ex. stroke. Vissa nervceller dör omgående via
cellsprängning (nekros) emedan andra uppvisar skador först efter ett eller
flera dygn, s.k. fördröjd nervcellsdöd av apoptostyp. Vid stroke anses nekros
dominera i det område som utsatts för kraftigast syrebrist emedan apoptos
sannolikt är dominerande för nervcellsdöd i randzonen mellan infarkten och den
friska vävnaden (den s.k. penumbran). Eftersom apoptos är en fördröjd process
och sker stegvis ges möjlighet till farmakologisk intervention förutsatt att de
cellulära mekanismerna är klarlagda. Ett flertal studier visar att bildning av
fria radikaler, calcium-inflöde samt caspas-aktivering är möjliga induktorer av
den kaskad som sedan leder till celldöd. Excitotoxicitet och apoptos anses vara
viktiga mekanismer för nervcellsdöd även vid epilepsi och mekaniskt trauma samt
bidrar troligtvis till nervcellsdöd vid sjukdomar som innefattar kronisk nervcellsdegeneration,
t.ex. Alzheimers och Parkinsons sjukdomar samt AIDS-relaterad demens.
Under ca. 15 år har vi varit
inriktade på studier av fr.a. olika aminosyror vid excitotoxicitet och normal
transmission. Framgent kommer forskningen även att inrikta sig på jämförande
studier mellan peptid och proteinuttryck i modeller för minne (L-LTP) och
stroke-liknade nervcellsdöd (excitotoxicitet). En central fråga är: finns det
döds- och minnes-molekyler även bland protein och peptidfamiljen? Mycket tyder
på detta eftersom blockering av proteinsyntes blockerar L-LTP och i vissa fall
excitotoxicitet.
Projekt
1) Pågående: klarlägga betydelsen av ett av kroppens viktigaste kroppsegna fria
radikal fångare, glutation, dess metabolism och frisättning vid fördröjd nervcellsdöd.
En huvudhypotes är att calcium-beroende frisättning av glutation ger en
sänkning i den intracellulära kapaciteten till att inaktivera fria radikaler.
Frisättning av glutation från neuron skulle alltså kunna vara en möjlig
induktor av apoptos i nervceller efter glutamat-receptoraktivering. Projektet
har ekonomiskt stöd från bl.a. NFR. Samarbete med bl.a. professor Owe Orwar.
2) Planerade och delvis pågående: utveckla en metod för att i organotypiska
kulturer (se nedan) elektrofysiologiskt och neurokemiskt under flera dagar
följa utvecklingen av L-LTP och fördröjd nervcellsdöd. Projektet utförs i
samarbete med professor Holger Wigström.
3) Planerade och delvis pågående: karaktärisera peptiduttrycket (differential
peptide display) vid olika tidpunkter efter induktion av fördröjd nervcellsdöd
och L-LTP. Projektet utförs i samarbetsform med bl.a. Prof. Stephen Weber
(Pittsburg Univ.) och har projektstöd från NIH.
4) Planerade: karaktärisera proteinuttrycket (differential protein display) vid
olika tidpunkter efter induktion av fördröjd nervcellsdöd och L-LTP. Projektet
kommer att utföras i samarbetsform med olika experter inom proteinseparation
med 2D-gel elektrofores och detektion med bl.a. masspektroskopi.
Metodik
Vi har under de senaste åren etablerat metodik för odling av organotypiska
hippokampuskulturer (skivor av hjärna som odlas på membran). Dessa kulturer har
fördelen att ha samma mikroanatomi och selektiva skadebenägenhet efter
syrebrist som hjärnvävnad in vivo men erbjuder samtidigt en lättillgänglighet
som saknas in vivo. I samarbetsprojekt utnyttjas även in vivo modeller, andra
kultur-modeller och analyser på encellsnivå. Metodinriktningen är i huvudsak
neurokemisk med inslag av molekylärbiologi och elektrofysiologi i
samarbetsprojekt.