«Лобно-височная деменция – разрушительное заболевание для пациентов и их близких. Понимание причин деменции может быть трудным, поскольку большая часть повреждений головного мозга возникает задолго до появления каких-либо симптомов. Это похоже на попытку разгадать события, которые создали место преступления. В этом исследовании мы смогли смоделировать многие аспекты патологии, наблюдаемой в головном мозге пациентов, несущих мутацию V337M в тау-белка », – сказала Элисон М. Гоут, доктор философии, директор, Рональд М. Центр болезни Альцгеймера Леба на горе Синай и старший автор исследования. «Наши результаты выявили несколько очень ранних транскриптомных и протеомных изменений, которые приводят к образованию тау-патологии и гибели нейронов.
Наша цель – помочь исследователям разработать новые методы лечения лобно-височной деменции и предотвратить страдания пациентов и их семей."
Лобно-височная деменция – редкая форма деменции, которая обычно начинается в возрасте от 40 до 60 лет. Он влияет на переднюю и боковые (височные) области мозга, приводя к изменениям поведения и затруднениям с речью и мышлением.
Исследование провела Кэтрин Боулз, доктор философии, преподаватель кафедры доктора наук.
Лаборатория Козла на горе Синай. Работа с учеными из Института нейронных стволовых клеток (NSCI) в Ренсселере, Нью-Йорк, Вашингтонского университета в Санкт-Петербурге.
В Луисе, штат Миссури, Массачусетской больнице общего профиля в Бостоне и Университете Южной Калифорнии в Лос-Анджелесе, исследователи создали тысячи церебральных органоидов из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (ИПСК).
Индуцированные плюрипотентные стволовые клетки создаются путем генетического и химического перепрограммирования клеток кожи или крови человека в стволовые клетки новорожденного, которые могут стать любой клеткой в организме. Из этих стволовых клеток NSCI создал тысячи крошечных трехмерных органоидов головного мозга, которые имитируют ранний рост и развитие коры головного мозга, для интенсивного изучения сотрудничающими научными группами.
"Индуцированные плюрипотентные стволовые клетки – мощные инструменты.
Они позволяют исследователям изучать индивидуальное заболевание каждого пациента в чашке Петри », – сказала Салли Темпл, доктор философии, научный директор NSCI и старший автор исследования. "В этом исследовании мы смогли вывести эту идею на новый уровень. Объединив технологию iPSC-органоидов с высокопроизводительным анализом активности одноклеточных генов, мы смогли лучше понять, что может происходить в мозгу пациента на ранних стадиях развития болезни, даже до появления симптомов."
В этом исследовании исследователи изучили рост и развитие органоидов, полученных из стволовых клеток трех пациентов, все из которых несли мутацию V337M в tau. Затем они сравнили свои результаты с результатами, наблюдаемыми для «изогенных» контрольных органоидов. Контроли были получены из стволовых клеток пациентов, в которых вызывающая заболевание мутация была генетически исправлена.
После шести месяцев роста в органоидах наблюдались признаки нейродегенерации.
В частности, органоиды, полученные от пациентов, имели меньше возбуждающих нейронов, чем те, которые были получены из контрольных клеток, что демонстрирует, что тау-мутации было достаточно, чтобы вызвать более высокие уровни гибели клеток этого специфического класса нейронов. Возбуждающие нейроны обычно срабатывают в ответ на нейрохимический глутамат и, как известно, умирают на аномально высоких уровнях при лобно-височной деменции. Органоиды, полученные от пациентов, также имели более высокий уровень вредных версий тау-белка и повышенный уровень воспаления.
«Возбуждающая гибель нейронных клеток, отложения тау-белка и воспаление являются классическими признаками того вида повреждений, которые наблюдаются при многих формах лобно-височной деменции», – сказал д-р.
Bowles. «Далее мы хотели узнать, какие клеточные и молекулярные процессы происходят до появления этих признаков болезни?"
Исследователи нашли подсказки, изучив органоиды возрастом два и четыре месяца.
Например, двухмесячные мутантные органоиды, по-видимому, подвергались повышенному уровню клеточного стресса, тогда как четырехмесячные развивались проблемы с аутофагией или рециркуляцией белков. Результаты также показали, что в эти первые месяцы возбуждающие нейроны созревали быстрее в мутантных органоидах, чем в контроле.
Другие эксперименты показали, что многие из этих изменений могли быть побочным продуктом сложного взаимодействия между мутантным тау-белком, генами возбуждающих нейронов и ELAVL4, белком, который контролирует активность гена путем связывания с молекулами рибонуклеиновой кислоты (РНК).
«Наши результаты показывают, что мутантный тау-белок V337M запускает в мозгу порочный круг, который подвергает возбуждающие нейроны большому стрессу.
Он ускоряет производство новых белков, необходимых для созревания, но предотвращает удаление заменяемых белков », – сказал доктор. Боулз сказал.
Дальнейшие эксперименты подтвердили эту идею. Например, возбуждающие нейроны в мутантных органоидах с меньшей вероятностью выживут в присутствии токсичных уровней глутамата, чем в контрольных органоидах. Затем исследователи обнаружили, что этого можно предотвратить с помощью апилимода, экспериментального препарата, предназначенного для изменения системы рециркуляции белка в клетке.
Другими словами, исследователи не увидели разницы в уровнях индуцированной глутаматом гибели клеток между мутантными и контрольными органоидами, когда они обрабатывали образцы апилимодом.
«С помощью таких инструментов, как церебральные органоиды, мы можем моделировать и научиться понимать причины деменции», – сказал доктор. Козочка сказал. "Есть надежда, что однажды мы разработаем эффективные методы лечения лобно-височной деменции и других душераздирающих нейродегенеративных заболеваний."
Это исследование финансировалось Благотворительным фондом Rainwater, Национальными институтами здравоохранения (AG046374, AG054008, AG056293, NS110890, NS095252, NS097277, NS097850, NS117075), CurePSP, Программой ученых-исследователей MGH, Ассоциацией лобно-височной дегенерации, Фондом BrightFocus Фонд исследования болезни Альцгеймера, Министерство обороны США (W81XWH-21-1-0168, -20-1-0424, -21-1-0131), Институт открытий Харрингтона, CIRM, Ассоциация БАС, Французский фонд болезни Альцгеймера Джона Дугласа, ADDF, Нью-Йоркский фонд стволовых клеток (№ C029158) и докторская стипендия Amgen.