Der Einfluss von Vitamin D und seinen Analoga auf die in der Alzheimer-Demenz relevante Aβ-Homöostase

Abstract

Die neurodegenerative Erkrankung Morbus Alzheimer gewinnt aufgrund ihrer steigenden Prävalenz zunehmend an klinischer, sozialer und wirtschaftlicher Relevanz. Eine krankheitsmodifizierende Therapie ist in Europa bis jetzt nicht zugelassen. Als potenzieller Therapieansatz gilt die Reduktion der histopathologisch vermehrt nachweisbaren amyloiden Plaques. Obwohl Vitamin D auf molekularer Ebene in die Entstehung und den Abbau des Amyloid-β Peptides (Aβ), dem Hauptbestandteil der amyloiden Plaques, eingreift, zeigen epidemiologischen Studien bisher keinen ausreichenden therapeutischen Nutzen einer Vitamin D Supplementierung in Bezug auf die Reduktion des Alzheimerrisikos.

In vielen medizinischen Bereichen werden synthetische Vitamin D Analoga eingesetzt, die veränderte Wirkungs- und Nebenwirkungsprofile mitbringen. Ziel der vorliegenden Arbeit war daher die systematische Untersuchung molekularer Mechanismen ausgewählter Vitamin D Analoga auf die in der Pathologie von Morbus Alzheimer relevante Aβ-Homöostase sowie auf Entzündungsparameter am Beispiel von Interleukin-1β. In Zellkulturen und murinen Hirnproben wurden die Effekte einer Inkubation der Vitamin D2 Analoga Paricalcitol und Doxercalciferol und der Vitamin D3 Analoga Maxacalcitol, Calcipotriol und Alfacalcidol auf die Genexpression, Sekretase Aktivität und die Proteinebene unterschiedlicher Enzyme analysiert, die an der Aβ-Produktion und Degradation beteiligt sind. Die Effektstärken wurden mit Ethanol als Lösungsmittelkontrolle und mit natürlich vorkommenden Calcifediol verglichen.

Die Vitamin D Analoga reduzierten im Vergleich zur Lösungsmittelkontrolle in humanen Neuroblastomzellen das Aβ-Gesamtlevel, was einerseits auf inhibierende Effekte auf die an der Aβ-Produktion beteiligten β- und γ-Sekretasen, andererseits auf einen erhöhten Aβ-Abbau durch das Enzym Neprilysin zurückgeführt werden konnte. Neben Einflüssen auf die Aktivität dieser Enzyme, regulierte die Inkubation der Vitamin D Analoga auch die Genexpression. Paricalcitol erhöhte zudem die α-Sekretase Aktivität, durch die das Amyloid-Vorläuferprotein, aus dem Aβ durch proteolytische Spaltung entsteht, alternativ in Form einer nicht-amyloidogenen Prozessierung zersetzt wird. Hierdurch wird die Entstehung von Aβ verhindert. Darüber hinaus wurde das Interleukin-1β-Level durch alle Vitamin D Analoga außer Paricalcitol signifikant gesenkt, sodass auch eine Regulation inflammatorischer Prozesse gezeigt wurde. Die Effektstärken der untersuchten Vitamin D Analoga unterschieden sich hierbei untereinander und in Bezug zu Calcifediol nicht signifikant. Vitamin D und seine Analoga interagierten mit der β-Sekretase Aktivität und der Aβ-Degradation sowohl in Hirnproben von Wildtypmäusen als auch in Hirnproben von Mäusen, in denen zuvor eine Hypovitaminose D generiert wurde.

Die Ergebnisse untermauern den Zusammenhang zwischen Morbus Alzheimer und Vitamin D und deuten darauf hin, dass eine Supplementierung von Vitamin D oder Vitamin D Analoga einen präventiven und therapeutischen Nutzen bei Morbus Alzheimer haben könnte.

1.2 The influence of vitamin D and its analogues on the Ab-homeostasis relevant in Alzheimer’s disease The neurodegenerative Alzheimer's disease is gaining increasing clinical, social and economic relevance due to its rising prevalence. A disease-modifying therapy has not yet been approved in Europe. A potential therapeutic approach is the reduction of the histopathological increased detectable amyloid plaques. Although vitamin D intervenes at the molecular level in the formation and degradation of amyloid (Aβ), which is the main component of amyloid plaques, epidemiological studies have not yet shown sufficient therapeutic benefit of vitamin D supplementation in terms of reducing the risk of Alzheimer's disease. In many medical fields, vitamin D analogues are used, which bring altered efficacy and side effect profiles. Therefore, the aim of the present study was to systematically investigate molecular mechanisms of selected vitamin D analogues on Ab-homeostasis, which is relevant in the pathology of AD, and on inflammatory parameters using interleukin-1b-level as an example. In cell cultures and examples of mouse brains, the effects of incubation of the vitamin D2 analogues paricalcitol and doxercalciferol and the vitamin D3 analogues maxacalcitol, calcipotriol, and alfacalcidol on gene expression, secretase activity, and protein levels of different enzymes involved in Aβ-production and degradation were analyzed. Effect sizes were compared with ethanol as a solvent control and with naturally occurring calcifediol. The vitamin D analogues reduced total Aβ-levels in human neuroblastoma cells, which could be attributed on the one hand to inhibitory effects on the β- and g-secretases involved in Aβ- production and on the other hand to increase Aβ-degradation by the enzyme neprilysin. In addition to influences on the activity of these enzymes, incubation of vitamin D analogues also regulated gene expression. Paricalcitol also increased a-secretase activity, by which the amyloid precursor protein, from which Aβ is generated by proteolytic cleavage, is alternatively decomposed in the sense of nonamyloidogenic processing. This prevents the formation of Aβ. In addition, interleukin-1β-level was significantly decreased by all vitamin D analogues except paricalcitol, so regulation of inflammatory processes was also shown. The effect sizes of the investigated vitamin D analogues did not differ significantly among each other and in relation to calcifediol. Vitamin D and analogues interacted with β-secretase activity and Aβ-degradation both in brain samples from wild-type mice and in brain samples from mice in which hypovitaminosis D had been previously generated. The results support the link between Alzheimer's disease and vitamin D and suggest that supplementation of vitamin D or vitamin D analogues may have preventive and therapeutic benefits in Alzheimer's disease.