Donepezil enhances Purkinje cell survival and improves motor dysfunction by inhibiting cholesterol synthesis in a murine model of Niemann Pick type C disease

Abstract

아세틸콜린은 인지능력에 관여할 뿐만 아니라, 신경세포의 성숙과 분화 과정에 다양한 역할을 하는 것으로 알려져 있는데, 아세틸콜린이 작용하는 콜린성 시스템에 장애가 발생했을 때 신경계 퇴행이 수반되는 경우가 종종 있다. 본 연구에서는 불치성 신경계 질환 중 하나인 니이만 픽 타입C 질환 마우스 모델을 이용하여 콜린성 신경전달 경로의 중요성을 역설하고자 했다. NPC 질환 특이적으로 퍼킨지 세포의 소실이 일어나는 소뇌 부위에서 콜린 아세틸트랜스퍼라아제 면역염색을 통해 아세틸콜린의 활성이 현저하게 감소되어 있는 것을 보였다. 그 다음으로는 아세틸 콜린에스테라제 저해제인 도네페질을 4주동안 적용함으로써 약화되어 있는 콜린성 시스템을 회복시키고자 했다. NPC 질환 마우스에 도네페질을 적용했을 때, 질환이 진행되는 동안 칼빈딘 효소를 갖는 퍼킨지 뉴런의 생존율이 증가하고, 로타로드 검사를 통해서 운동 기능도 회복된 것을 확인할 수 있었다. 니이만 픽 타입 C 질병의 주요 원인인 콜레스테롤 침착과 퍼킨지 뉴런의 생존율과의 관계를 조사하기 위하여, 직접 정상 마우스에서 분리한 신경줄기세포에 임의로 콜레스테롤을 침착시켜서 필리핀 염색을 실시했다. 흥미롭게도, 콜레스테롤 침착된 세포에 도네페질을 처리한 결과 필리핀이 염색된 세포가 크게 감소된 것을 확인할 수 있었다. 또한 콜레스테롤 대사 관련 유전자들을 조사한 결과, 콜레스테롤 합성에 관여하는 유전자들의 발현이 도네페질 처리 후 감소된 것을 보여주었고, 이는 궁극적으로 도네페질에 의해 콜레스테롤 합성이 억제됨으로써 신경세포의 생존 기간을 연장 시켜줄 수 있다는 결과를 얻을 수 있었다. 위 결과를 종합하여 NPC 발병과정에서 콜린성 경로가 중요한 조절체계임을 시사하고, 결과적으로 NPC 질환에서 아세틸 콜린에스테라제 저해제의 치료 효과를 처음으로 보이고자 한다.

Acetylcholine (ACh) plays various roles in the process of neural differentiation and maturation as well as in the maintenance of the cognitive function. The neurodegenerative process is often accompanied by the disruption of the cholinergic system. In this study, we aimed to elucidate the importance of cholinergic pathway to maintain cerebellar integrity using murine model of Niemann-Pick disease type C (NPC), one of the incurable lyosomal storage disorders accompanied with neurological symptoms. Choline acetyltransferase (ChAT) immunostaining has shown that ACh activity was significantly reduced in the cerebellar cortex of NPC mice, where the pathognomonic Purkinje cell loss occurs. We then administrated acetylcholinesterase inhibitor (AChEI), Donepezil, for 4 weeks to compensate the attenuated cholinergic system. When NPC mice were treated with Donepezil, more Calbindin (CBD) positive Purkinje neurons survived during disease progress. In the rota-rod test, the performance of NPC mice was remarkably improved than that of control mice. To investigate the relationship between cholesterol accumulation and Purkinje neuronal survival, wild-type neural stem cells were treated with U18666A, a drug induces abnormal cholesterol accumulation similar to NPC state then were stained with filipin in vitro. It is noted that the number of filipin-positive cholesterol accumulated cells was reduced by Donepezil treatment. Improtantly, we found that Donepezil readily down-regulated mRNA levels of cholesterol synthesis molecules in vivo, implying that Ach might be related to the cholesterol homeostasis. Taken together, our findings suggest cholinergic pathway as another important regulator in NPC progress and propose the therapeutic application of AChEIs in NPC.