Većina istraživanja o Alchajmerovoj bolesti na ljudskom moždanom tkivu proučavala su uzorke nakon smrti, što otežava naučnicima da razaznaju najranije događaje u mozgu koji su mogli da izazovu nakupljanje plakova i smrt neurona. Poznavanje molekularnih promena u neuronima, gliji i drugim moždanim ćelijama oko plakova tokom ranih faza bolesti moglo bi pomoći naučnicima da osmisle tretmane koji najbolje deluju kada se daju rano.
Sada, u studiji koja se pojavila u Cell, tim predvođen istraživačima sa Instituta Broad MIT-a i Harvarda analizirao je skup retkih uzoraka moždanog tkiva od 52 živa pacijenta sa različitim stepenom drugih promena u mozgu povezanih sa Alchajmerovom bolešću – uključujući 17 pojedinci kojima je kasnije klinički dijagnostikovana bolest. Naučnici su identifikovali niz promena u ćelijama jedinstvenih za rane stadijume Alchajmerove bolesti, uključujući i neke koje ranije nisu viđene u studijama na životinjama.
Tim je otkrio kratko hiperaktivno stanje u specifičnoj grupi neurona koje je bilo povezano sa njihovom smrću u kasnijim stadijumima bolesti, kao i povećane inflamatorne procese u imunim ćelijama zvanim mikroglija kako je bolest napredovala.
Smatra se da neuroni proizvode protein koji formira plak pod nazivom amiloid beta, a istraživači su pronašli dokaze za to u svojim podacima. Takođe su po prvi put otkrili da drugi tip moždanih ćelija, oligodendrociti, koji proizvode izolacione omote oko nervnih vlakana u mozgu, takođe mogu doprineti formiranju plaka. Bolje razumevanje kako ove ćelije podstiču rast plakova moglo bi jednog dana pomoći istraživačima da identifikuju nove mete za lekove za Alchajmerovu bolest.
Studija je rezultat bliske saradnje sa Ville Leinonenom, neurohirurgom i profesorom sa Univerziteta Istočne Finske koji je proveo više od decenije prikupljajući i proučavajući uzorke moždanog tkiva pacijenata koji su bili podvrgnuti rutinskim operacijama zbog drugih neuroloških stanja i pristao da pruži mala količina moždanog tkiva i drugi uzorci za istraživanje.
„Ovo je bila samo zaista bogata prilika da se zaviri u stvarni rad ćelija sa minimalnim artefaktima i vidi šta rade u kontekstu amiloida“, rekao je Evan Macosko, stariji autor studije, član instituta u Broad, i vanredni profesor i psihijatar u Opštoj bolnici u Masačusetsu.
Beth Stevens, član instituta u Broad-u, vanredni profesor na Harvardskoj medicinskoj školi i istraživač-saradnik u neurobiologiji u Bostonskoj dečjoj bolnici, bila je koautor studije.
„Ovo je bila zaista sjajna sinergija računarskog, vlažnog laboratorija i kliničkog rada“, rekao je Tushar Kamath, koautor studije i doktor medicine. student u Macoskovoj laboratoriji kada je studija počela. „Bila je potrebna decenija neurohirurgija, uključivanja pacijenata, promišljenih analiza i zaista korisnih eksperimenata. Ne bismo mogli da uradimo ovu studiju da se nijedna od tih stvari nije dogodila.“
Vahid Gazestani, naučnik u Macoskovoj laboratoriji kada je studija počela, a sada viši naučnik za računarstvo u Johnson & Johnson, bio je drugi koautor studije.
Ćelije – a posebno neuroni – se brzo menjaju nakon što izgube snabdevanje kiseonikom postmortem, što potencijalno otežava naučnicima da precizno prouče kako rade kada samo gledaju postmortem uzorke.
Macosko je razgovarao o ovim ograničenjima sa drugim istraživačima na sastanku neuronauka pre pet godina kada mu je kolega predložio da razgovara sa Leinonenom.
Leinonen je proučavao ranu Alchajmerovu bolest i hidrocefalus normalnog pritiska (NPH), neurološki poremećaj koji karakteriše višak tečnosti oko mozga. Imao je kolekciju uzoraka moždanog tkiva dobijenih od NPH pacijenata tokom rutinskih operacija da bi se smanjio višak moždane tečnosti. Sakupio je druge uzorke, kao što je cerebrospinalna tečnost od istih pacijenata, i pratio kohortu tokom vremena, beležeći kliničke podatke kao što su da li su pacijenti razvili Alchajmerovu bolest ili ne.
Macosko je znao da uzorci ovih živih pacijenata predstavljaju retku priliku da se posmatraju ćelije izložene početnim stadijumima Alchajmerove patologije.
Tokom narednih nekoliko godina, njegov tim je koristio sekvenciranje RNK sa jednim jezgrom, koje mapira ekspresiju gena u pojedinačnim ćelijskim jezgrima, za analizu moždanog tkiva. Unakrsnom proverom ovih podataka sa Leinonenovim kliničkim beleškama i integracijom sa prethodnim postmortem studijama i studijama na miševima, istraživači su identifikovali ključne promene u različitim tipovima ćelija u ranim stadijumima bolesti.
„Ovi uzorci su nam dali visokokvalitetno sidro da pouzdano identifikujemo tipove ćelija u svim drugim skupovima podataka“, rekao je Gazestani. „Cela ova integrativna analiza bila je izvodljiva zbog kvaliteta i dubine skupa podataka koji smo imali.“
Istraživači su dugo pretpostavljali da neuroni proizvode amiloidni protein, ali je to teško dokazati u ljudskom tkivu. U novoj studiji, Macoskoov tim je otkrio da neuroni pokazuju potpise genske ekspresije povezane sa proizvodnjom amiloida. Po prvi put su takođe primetili isti potpis u oligodendrocitima.
„Ovo je uzbudljivo jer postoji mnogo načina na koje možete naterati da se amiloid akumulira u mozgu u studijama na miševima, ali sada smo videli šta se zapravo dešava kod čoveka“, rekao je Macosko.
Istraživači su takođe primetili hiperaktivnu populaciju neurona u gornjem sloju mozga. Ova grupa neurona umire u ranoj fazi bolesti, a Macosko smatra da bi buduće studije mogle pokazati da ova hiperaktivnost podstiče rasprostranjeniji gubitak neurona kod pacijenata.
Konačno, istraživači su identifikovali mikrogliju – ćelije koje pomažu u uklanjanju amiloid-beta peptida iz mozga – koje su funkcionisale u dve različite vrste aktiviranih stanja. Neka od ovih stanja nisu ranije otkrivena u mikrogliji na životinjskim modelima, iako su istraživači nedavno potvrdili nekoliko ovih različitih stanja u indukovanim pluripotentnim matičnim ćelijama.
U ovoj studiji, tim je pronašao ćelije u jednom od ovih stanja u tkivu pacijenata sa Alchajmerom i onih sa Parkinsonovom – nalaz koji bi mogao da pruži tragove o sličnostima između stanja.
U budućnosti, Macosko i Stevens planiraju da identifikuju proteine koji su u korelaciji sa ovim stanjima ćelija u parovima uzoraka krvi i cerebrospinalne tečnosti, koji bi mogli poslužiti kao markeri progresije bolesti. Oni se takođe nadaju da će drugi istraživači koristiti svoj pristup da zajedno analiziraju skupove podataka iz različitih vrsta uzoraka i metoda sekvenciranja.
„Jedan od najvećih izazova u ovoj oblasti je činjenica da se svaki skup podataka analizira zasebno“, rekao je Macosko. „Nadamo se da ova kohorta može biti korisna kao referenca za druge da usklade i integrišu sopstvene podatke tako da postane lakše upoređivati i suprotstavljati različite bolesti ili kohorte.“
Nalazi su već pružili početnu tačku za nove istraživačke napore koje koordiniraju Stivens, Macosko i članovi Međunarodnog neuroimunskog konzorcijuma, koji okuplja istraživače sa šireg područja, Univerziteta istočne Finske, Univerziteta Stenford, britanskog Instituta za istraživanje demencije. , i drugi. Saradnja ima za cilj da utvrdi kako neuro-imune interakcije doprinose ranjivosti ćelija i neurodegeneraciji kod Alchajmerove i drugih bolesti mozga.
„Ova kohorta nam pruža temeljnu istinu o promenama u neuronima i gliji u mozgu živih pacijenata u ranim fazama progresije bolesti“, rekao je Stivens. „To bi moglo dovesti do novih neuroimunih biomarkera i poboljšanja u otkrivanju biomarkera u krvi i CSF.“
