https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/25071926Na rysunku powyżej widzimy deficyty w zagęszczeniu postsynaptycznym (ang. postsynaptic density, PSD) obserwowane u myszek, którym wyłączono gen DLGAP2 (po lewej obraz dla myszki z grupy kontrolnej, po prawej dla myszki z wyłączonym genem DLGAP2). W porównaniu z osobnikami z grupy kontrolnej zarówno długość jak i gęstość PSD są statystycznie różne. Autorzy badania[1] sugerują, że białko kodowane przez gen DLGAP2 jest składową zakonserwowanej genetycznie struktury neurexin-neuroligin-DLG4-DLGAPs-SHANKs, kluczowej dla prawidłowego funkcjonowania synaps i wpływającej na nasze zachowania. Anomalie związane z zagęszczeniem postsynaptycznym występują także w przypadku delecji w rejonie prążka q13.3 chromosomu 12, w szczególności delecji genu SHANK3. Mutacje związane z genem SHANK3 są wykrywane u osób z ASD[2]. Wspomniana delecja 22q13.3 zwana jest inaczej zespołem Phelan-McDermida[3]. W ramach wspomnianej delecji możemy nie mieć wielu genów, ale wielu naukowców uważa, że kluczowy jest tutaj brak genu SHANK3 (choć, oczywiście, nie ma pełnej zgody w tym temacie).
Jeśli kogoś interesuje temat autyzmu to z pewnością zetknął się z pojęciem równowagi E/I (ang. Excitatory/Inhibitory balance). Sugeruje się, że w przypadku ASD równowaga ta jest zachwiania i przesunięta w kierunku nadmiernej ekscytacji neuronów (wysoki odsetek osób z autyzmem, u których występują napady padaczkowe zdaje się to w pewien sposób potwierdzać). Ponieważ w autyzmie nic nie jest proste to można się spodziewać, że istnieją osoby z zachowaniami ze spektrum u których ta równowaga odchylona jest w stronę nadmiernej inhibicji. Takim przykładem są właśnie osoby z zespołem Phelan-McDermida (w skrócie PMDS lub PMS) . Spójrzmy na poniższy cytat[4]:
Here, we show that neurons derived from iPS cells from PMDS patients have major defects in excitatory synaptic transmission arising from both a failure to form the correct number of excitatory synapses and a reduction in the expression of glutamate receptors. As no significant impairments in inhibitory synaptic transmission were found, this resulted in an imbalance between excitation and inhibition at a cellular level.
https://www.nature.com/nature/journal/v503/n7475/full/nature12618.html
Czy można w jakiś sposób zmienić trajektorię rozwoju osób z zespołem Phelan-McDermida? Okazuje się, że tak (przynajmniej do pewnego stopnia u niektórych osób). Przyjrzyjmy się nad czym tutaj pracują badacze.
Donosowa insulina
Z pośród interwencji które były testowane przez badaczy w zespole Phelan-McDermida na dwie chcielibyśmy zwrócić uwagę. Pierwszą z nich jest donosowa insulina. Postaramy się zwięźle przedstawić rezultaty pewnej próby klinicznej (randomizowanej, podwójnie ślepej)[5]. Pierwszą rzeczą, na którą warto zwrócić uwagę są oczywiście potencjalne skutki uboczne. Pomimo tego, że badacze obserwowali podrażnienie śluzówki nosa a nawet krwawienie to te dokuczliwości występowały jedynie w pierwszych dniach interwencji. Ponieważ te łagodne skutki uboczne występowały zarówno w grupie otrzymującej placebo jak i insulinę to badacze skonstatowali, że u osób, które uczestniczyły w badaniu nie było widać efektów ubocznych, które można byłoby przypisać jedynie insulinie.
No SAEs or suspected serious adverse reactions have been reported. Expected adverse events such as nosebleeds and irritation of the nasal area were frequently reported (12 of 25 children). These were limited to 1 or 2 days and usually occurred only once per period in both placebo and insulin groups. Most other adverse events reported, like upper airway infections and gastro-enteritis, are common in children and occurred in both placebo and insulin groups.
http://www.nature.com/ejhg/journal/v24/n12/full/ejhg2016109a.html
Co ciekawe autorzy nie zadawali sobie nawet trudu oznaczania poziomu glukozy we krwi, zdając sobie sprawę, że taki sposób aplikowania insuliny nie ma na to wpływu.
Several independent studies have shown that intranasal insulin administration did not alter systemic insulin concentration or glucose levels in children and adults.13,15,18 Therefore, peripheral glucose or insulin levels were not measured in study participants.
http://www.nature.com/ejhg/journal/v24/n12/full/ejhg2016109a.html
Co badaczom udało się ustalić? Zanim odpowiemy na to pytanie to warto krótko wspomnieć o trajektorii rozwoju dzieci z zespołem Phelan-McDermida. Okazuje się, że o ile rozwój dzieci z tym zespołem początkowo ma miejsce (ale i tak jest wolniejszy niż u zdrowych rówieśników) to w okolicach trzeciego roku następuje stagnacja lub wręcz regres. Wspominamy o tym dlatego, że o ile nie udało się stwierdzić poprawy w funkcjonowaniu w całej grupie o tyle w podgrupie dzieci starszych niż 3 lata już tak.
In a recent study, we showed less favourable developmental growth in PMS patients after the age of 3 years, with a slow but steady increase in developmental abilities up to that age that is followed by decreased or stagnated developmental growth after.3
First of all, our initial power analysis assumed that children with PMS would develop at a rate of 28% of typical development (1.7 months per 6 months) based on data from four children with PMS.16 However, as we recently showed in a study of 34 children, development in PMS is not a linear process and development stagnates after the age of 3 years.3
In the pre-treatment period, the mean change in DAE ranged from 0.4 to 1.8 months per 6 months for the five domains of general development (Bayley-III-NL).
It increased the level of developmental functioning by 0.4–1.4 months per 6-month period, but the effect was not statistically significant in this small group.
Our study shows a positive observed effect of intranasal insulin on psychomotor and behavioural development. However, this effect of intranasal insulin was not strong enough to reach statistical significance in our small group of patients, but some statistically significant positive effects were seen in the subgroup of children older than 3 years of age.
http://www.nature.com/ejhg/journal/v24/n12/full/ejhg2016109a.html
Zwróćmy proszę uwagę, że rozwój dzieci z zespołem Phelan-McDermida daleki jest o wzorcowego. Na każde 6 miesięcy dziecko z tym zespołem "idzie do przodu" o jedyne 0.4 - 1.8 miesiąca. Dodanie do tego dodatkowego 0.4 – 1.4 miesiąca robi różnicę (przynajmniej dla dzieci starszych). Najlepiej będzie jeśli przytoczymy konkluzję autorów badania (pogrubienie moje), która mówi, że donosowa insulina stanowi bezpieczną i łatwą interwencję w PMS.
In conclusion, the application of intranasal insulin is a non-invasive, safe, easy and interesting therapeutic approach to improve intellectual and behavioural development in children with PMS. Our preliminary results show that it increased the level of developmental functioning, especially in children older than 3 years, who usually show a stagnation of development.
Thus, younger children might benefit less from intranasal insulin to reach their maximal capacity for development, whereas older children who do not develop at their maximal capacity could benefit more. Further studies are needed to support this observation.
http://www.nature.com/ejhg/journal/v24/n12/full/ejhg2016109a.html
IGF-1, czyli Insulin-like growth factor 1
Kolejną interwencją, o której w naszym przekonaniu warto wspomnieć w kontekście zespołu Phelan-McDermida jest IGF-1. W randomizowanej próbie klinicznej brało udział zaledwie 9 osób, ale jej głównym celem była ocena bezpieczeństwa. I chociaż efekty uboczne występujące u osób otrzymujących IGF-1 były bardziej nasilone niż w grupie otrzymującej placebo to jednak były tego samego rodzaju.
Because this was a small pilot trial, our primary focus was on safety. IGF-1 was generally well tolerated and there were no serious adverse events (SAEs) (see Table 2). The most common side effects during the IGF-1 treatment phase were sleep disturbance (N= 7); hypoglycemia ((<50 mg/dL) (7 occurrences; N= 5)), constipation (N= 4), increased appetite (N= 4), and mood changes or increased irritability (N = 4). Other less common AEs ‘possibly’ or ‘probably related’ to IGF-1 and worth noting included decreased appetite (N= 2), increased urinary frequency (N = 1), hair loss (N= 1), rash (N = 1), and soft tissue swelling of the nose (N = 1).
Many of the same AEs were likely to occur among patients during the placebo phase, including hypoglycemia (3 occurrences; N= 2), albeit less frequently; significantly more AEs were reported when patients were taking IGF-1 than placebo (P = 0.0015).
In addition, we showed that when patients received IGF-1 they were significantly more likely to report AEs and this may have introduced bias and contributed to the caregivers’ anticipation of benefit.
Further, while patients were more likely to report AEs while on IGF-1, the nature of AEs was similar between treatment groups.
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4326443/
Jeśli chodzi o rezultaty to najlepiej będzie jak wkleimy obrazki prezentujące zmiany w zachowaniach społecznych i rytualnych dla grup otrzymujących IGF-1 i placebo. Są one statystycznie istotne (różnica w bazowym poziomie jest jak najbardziej dopuszczalna przy tak mało licznej grupie).
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4326443/
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4326443/Przyjrzyjmy się przez chwilkę dlaczego taka interwencja jest w stanie potencjalnie zadziałać. W tym celu posłużymy się badaniem przeprowadzonym na myszkach[4]. Jak już zostało to wcześniej wspomniane, akurat w przypadku zespołu Phelan-McDermida obserwowany jest brak równowagi E/I.
To gain insight into the mechanism underlying the impairment of excitatory synaptic transmission in PMDS neurons, we measured the expression levels of AMPA and NMDA receptors. PMDS neurons expressed significantly less GLUA1 and GLUN1 proteins (Fig. 3a) and generated significantly smaller currents in response to the focal application of either AMPA (Fig. 3b) or NMDA (Fig. 3c). In contrast, the amplitude of c-aminobutyric-acid-evoked currents was similar for both control and PMDS neurons (Supplementary Fig. 9), indicating that PMDS neurons express a decreased number of excitatory neurotransmitter receptors and normal levels of inhibitory receptors.
https://www.nature.com/nature/journal/v503/n7475/full/nature12618.html
Kolejnym krokiem była próba przeprowadzenia testu z różnymi substancjami, które mogą wpłynąć na ekspresję genu SHANK3. Jakież było zdziwienie badaczy kiedy okazało się, że IGF-1 normalizuje pracę synaps (zwiększając ilość receptorów NMDA i AMPA) pomimo tego, że obniża ekspresję genu SHANK3.
We next tested if we could restore synaptic deficits in PMDS neurons pharmacologically, using agents that have been previously reported to increase the level of SHANK3 expression or to increase synaptic transmission, including trichostatin A (TSA)17,18, valproic acid (VPA)17,19, nifedipine (Nif)20, IGF121–23 and IGF224.
To gain insight into the mechanism of IGF1 action, we measured SHANK3 expression in control and PMDS neurons treated with IGF1. Surprisingly, we found that IGF1 caused a marked decrease of SHANK3 protein expression in the cell body and processes of both control and PMDS neurons (Supplementary Fig. 15).
Finally, IGF1 completely restored the whole-cell NMDA receptor currents evoked by focal application of NMDA, but failed to fully restore whole-cell AMPA receptor currents elicited by application of AMPA (Supplementary Fig. 14). Together, these results indicate that treatment with IGF1 restores synaptic transmission in PMDS neurons by increasing the number of synaptic AMPA and NMDA receptors.
https://www.nature.com/nature/journal/v503/n7475/full/nature12618.html
Okazuje się, że neurony można pogrupować pod względem tego czy zawierają białko kodowane przez gen SHANK3 czy nie. IGF-1 wspiera powstawanie tych drugich (posiadających PSD95 bez SHANK3).
This indicates that in developing neurons there are three populations of excitatory synapses: those that contain SHANK3 alone, those that contain SHANK3 and PSD95, and those that contain PSD95 alone.
We also demonstrated that SHANK3 and IGF1 largely restore synaptic deficits in PMDS neurons. Interestingly, IGF1 decreases SHANK3 expression and promotes the formation of a class of synapses containing PSD95 but lacking SHANK3. One possibility is that SHANK3 is required at an early stage of synapse formation, and that IGF1 promotes maturation of synapses by triggering the loss of SHANK3 and recruitment of PSD95. Consistent with this view, SHANK3-containing synapses have slowly decaying NMDA receptor currents that resemble those of GLUN2B receptors that occur early in development, whereas synapses that contain PSD95 but lack SHANK3 have rapidly decaying NMDA receptor currents that resemble the GLUN2A-containing synapses that appear later in development28.
https://www.nature.com/nature/journal/v503/n7475/full/nature12618.html
I na koniec jeszcze ostatnie słowo od autorów.
In summary, we have identified synaptic defects in iPS cell-derived neurons from patients with PMDS and we show that these defects depend on loss of SHANK3 and can be reversed by IGF1.
https://www.nature.com/nature/journal/v503/n7475/full/nature12618.html
Wracamy na Ziemię.
PAK1 inhibitor, no nie wiem
W poszukiwaniu czegoś co mogłoby pomóc osobom z zespołem Phelan-McDermida przewertowaliśmy stronę Petera. Warto to robić ponieważ ma on ciekawe, często mało oczywiste pomysły. W poście o inhibitorach PAK1 sugeruje on, że mogą być pomocne w omawianym zaburzeniu[7]. Ponieważ zespół Phelan-McDermida mnie żywotnie interesuje oraz jednym z dostępnych inhibitorów PAK jest BIO30 Propolis to temat jest wart poświęcenia mu uwagi. Co jest dziwnego, dokładnie ten sam fragment z publikacji[8], którą przytacza Peter w kontekście skuteczności inhibitorów PAK1 w zespole Phelan-McDermida my chcemy przytoczyć by pokazać, że jest wprost przeciwnie. Chodzi o poniższy fragment.
Consistently, we have found that Shank3 knockdown leads to reduced PAK1 activity. Moreover, inhibiting PAK1 decreases the basal NMDAR current, and the reducing effect of Shank3 knockdown on NMDARs and F-actin is occluded by PAK1 inhibitors and blocked by constitutively active PAK1.
http://www.jneurosci.org/content/33/40/15767
Dlaczego uważamy, że inhibicja PAK1 może nie być zbyt dobrym pomysłem? Proszę spojrzeć.
In neurons with the loss of Shank3, the reduced Rac1 and PAK activity results in the increased cofilin activity (due to reduced cofilin phosphorylation). Consequently, actin depolymerization is increased, leading to disrupted NMDAR membrane delivery through the actin cytoskeleton.
In the current study, we examined whether the NMDAR hypofunction and ASD-like behavioral deficits in autism models with Shank3 haploinsufficiency is caused by the decreased Rac1/PAK signaling and increased actin depolymerization by cofilin, and whether manipulating actin regulators could rescue the synaptic and cognitive deficiencies in this autism model.
Concomitantly, Shank3-deficient mice have a marked loss of cortical actin filaments, which is associated with the reduced Rac1/PAK activity and increased activity of cofilin, the major actin depolymerizing factor. The social deficits and NMDAR hypofunction are rescued by inhibiting cofilin or activating Rac1 in Shank3-deficient mice, and are induced by inhibiting PAK or Rac1 in wild-type mice.
Taken together, these results suggest that the ASD-like behavioral and physiological deficits can be induced by Rac1 inhibition in normal animals, and can be rescued by Rac1 activation in Shank3-deficient conditions.
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4464902/
Jeśli dobrze rozumiemy powyższe to w przypadku myszek z wyłączonym genem SHANK3 pewne deficyty mogą zostać skorygowane poprzez aktywację Rac1 (i w konsekwencji aktywację PAK). Co więcej w mysim modelu SHANK3 obserwuje się już niską aktywność PAK. Idea polegająca na dalszym obniżaniu aktywności PAK1 może nie być wcale taka nieracjonalna (warto spojrzeć chociażby kilka akapitów wyżej na wpływ IGF-1 na SHANK3) ale nie wiem czy jest poparta publikacjami. Może mniejsza.
O pewnym cukrze połączonym z magnezem
Nie wiemy, czy jest to interwencja, którą warto rozważyć przy zespole Phelan-McDermin. Być może. Okazuje się, że kombinacja magnezu i pewnego cukru (ang. threonate - jak to przetłumaczyć?) zwiększa gęstość synaptyczną. Nie zadzieje się tak ani pod wpływem podawania samego magnezu, ani samego cukru.
Threonate is a critical component of L-TAMS; when animals are treated with Mg2+ that is not coupled to threonate (ie. an alternate anion such as chloride is used), there is no significant effect on memory ability (Slutsky et al., 2010). However, threonate treatment alone, without Mg2+, also does not affect memory ability, suggesting that there is a synergistic effect between threonate and Mg2+ (Slutsky et al., 2010).
Our previous work showed that threonate also has effects in the central nervous system (CNS). Oral treatment with the combination of threonate and magnesium (Mg2+) in the form of L-threonic acid Magnesium salt (L-TAMS) increases synapse density and memory ability in both aged rats and late stage Alzheimer’s disease (AD) model mice (Li et al., 2014; Slutsky et al., 2010). A recent study shows that L-TAMS is also effective at improving cognitive deficits in humans (Liu et al., 2015).
NR2B-containing NMDAR plays an important role in controlling synaptic plasticity (Le Roux et al., 2007). Upregulation of its expression is sufficient to enhance learning and memory ability (Tang et al., 1999). Elevation of extracellular [Mg2+] can selectively increase synaptic NR2B-containing NMDAR (Slutsky et al., 2004, 2010). We checked whether threonate treatment can also affect NR2B. Threonate treatment significantly upregulated NR2B containing NMDAR in hippocampal neurons (F3,17 ¼ 7.493, p ¼ 0.0021; Fig. 4A).
Threonate treatment directly elevated expression of synaptic NR2B.
Similar to our findings in cultured rat hippocampal neurons, threonate treatment significantly increased Syn and PSD-95 expression in a dose-dependent manner (Syn, F4,67 ¼ 4.499, p ¼ 0.0028; PSD-95, F4,44 ¼ 4.221, p ¼ 0.0056; Fig. 8B, C).
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/27178134
W publikacji testującej L-TAMS[10] pojawia się nawet ciekawa sugestia na temat insuliny.
Insulin promotes Mg2+ influx into the cell, significantly reducing extracellular Mg2+. For example, plasma Mg2+ levels initially decrease significantly following an insulin injection, but can be prevented when insulin is injected with Mg2+ supplementation, such as from a meal (Paolisso et al., 1986). Since the amount of total extracellular brain Mg2+ is low (Ramadan et al., 1989), threonate treatment without concurrent Mg2+ treatment, like with insulin treatment, could quickly reduce CSF Mg2+, resulting in a reduction of the driving force for all Mg2+ channels, limiting the amount of Mg2+ influx that threonate can promote. This might explain why threonate treatment alone does not work in vivo, whereas in culture, where the extracellular [Mg2+] is essentially clamped, threonate treatment effectively increases intracellular [Mg2+].
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/27178134
Biorąc pod uwagę korzystny profil bezpieczeństwa MMFS-01[11], być może jakiś lekarz może rozważyć i uznać za zasadne spróbowanie użycia MMFS-01 u osób z zespołem Phelan-McDermida.
Dosage was set to correspond to approximately 25 mg/kg/day. To accomplish this, subjects between 50 and 70 kg took 1.5 g/day, and subjects between 70 and 100 kg took 2 g/day of MMFS-01.
The safety population was composed of 25 subjects in the MMFS-01 group and 26 subjects in the placebo group. A total of 47 adverse events were observed among 28 of the 51 subjects in the safety population, experienced approximately equally among subjects in placebo and MMFS-01 groups (15 and 13 subjects, respectively; Table 5). Individual events were considerably more prevalent in the placebo group than in the MMFS-01 group (30 and 17 events, respectively). Most adverse events were mild, and no serious adverse events were observed during the course of the study. No significant changes in body weight, systolic blood pressure, diastolic blood pressure, or heart rate were observed.
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/27178134
Konkluzja
Zespół Phelan-McDermida to poważane zaburzenie. W chwili obecnej nie ma zaakceptowanego leku na to zaburzenie. Całe szczęście coś się tutaj dzieje i pojawiają się próby kliniczne. Co więcej, próby te są zachęcające (chociaż ich celem jest na razie sprawdzanie bezpieczeństwa). Być może korzystny profil bezpieczeństwa i skuteczność w działaniu niektórych testowanych substancji sprawi, że wejdą w przyszłości do powszechnego użycia w zespole Phellan-McDermida.
EDIT: Podziękowania za Rafała za podpowiedź, że threonate tłumaczone jest na polski jako treonian.
[1] https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/25071926
[2] https://sfari.org/funding/grants/abstracts/the-role-of-shank3-in-autism-spectrum-disorders
[3] https://pl.wikipedia.org/wiki/Zespół_delecji_22q13.3
[4] https://www.nature.com/nature/journal/v503/n7475/full/nature12618.html
[5] http://www.nature.com/ejhg/journal/v24/n12/full/ejhg2016109a.html
[6] https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4326443/
[7] https://epiphanyasd.blogspot.com/2014/05/pak-inhibitors-not-just-for-cancer.html
[8] http://www.jneurosci.org/content/33/40/15767
[9] https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4464902/
[10] https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/27178134
[11] https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4927823/
