Более ранняя работа группы из Пенсильванского университета и Детской больницы Филадельфии (CHOP) показала, что антиретровирусная терапия (АРТ) – жизненно важный набор лекарств, который многие люди с ВИЧ принимают ежедневно – может уменьшить белое вещество, но это не так. Ясно, как вирус сам способствовал этой потере.
В новом исследовании с использованием как клеток человека, так и грызунов команда разработала подробный механизм, показывающий, как ВИЧ предотвращает созревание вырабатывающих миелин клеток мозга, называемых олигодендроцитами, и тем самым препятствует производству белого вещества.
Когда исследователи применили соединение, блокирующее этот процесс, клетки снова смогли созреть.
Работа опубликована в журнале Glia.
«Даже когда заболевание людей с ВИЧ хорошо контролируется антиретровирусными препаратами, вирус все еще присутствует в их организме, поэтому это исследование было вызвано нашим интересом к пониманию того, как сама ВИЧ-инфекция влияет на белое вещество», – говорит Келли Джордан-Скиутто. профессор Школы стоматологической медицины Пенна и соавтор исследования. "Понимая эти механизмы, мы можем сделать следующий шаг к защите людей с ВИЧ-инфекцией от этих воздействий."
«Когда люди думают о мозге, они думают о нейронах, но часто не думают о белом веществе, насколько оно важно», – говорит Джудит Гринспан, научный сотрудник CHOP и другой соавтор исследования. "Но очевидно, что миелинизация играет ключевую роль на разных этапах жизни: в младенчестве, в подростковом возрасте и, вероятно, во время обучения во взрослом возрасте тоже. Чем больше мы узнаем об этой биологии, тем больше мы можем сделать, чтобы предотвратить потерю белого вещества и вред, который может вызвать."
Джордан-Скиутто и Гринспан уже несколько лет сотрудничают, чтобы выяснить, как АРТ и ВИЧ влияют на мозг и, в частности, на олигодендроциты, что является предметом исследования Гринспана. Их предыдущая работа над антиретровирусными препаратами показала, что обычно используемые препараты нарушают функцию олигодендроцитов, уменьшая образование миелина.
В текущем исследовании они стремились изолировать влияние ВИЧ на этот процесс. Под руководством Линдси Рот, которая недавно получила докторскую степень в группе биомедицинских исследований в Пенне и закончила постдокторантуру, работая с Джорданом-Скиутто и Гринспеном, исследование началось с изучения макрофагов человека, одного из основных типов клеток, инфицированных ВИЧ.
Ученые выдвинули гипотезу, что влияние ВИЧ на мозг возникло косвенно через активность этих иммунных клеток, поскольку вирус не заражает нейроны или олигодендроциты. Чтобы узнать больше о том, как это может конкретно повлиять на белое вещество, исследователи взяли жидкость, в которой росли макрофаги, инфицированные ВИЧ, и применили ее к клеткам-предшественникам олигодендроцитов крыс, которые созревают в олигодендроциты. Хотя это лечение не убивало клетки-предшественники, оно блокировало их созревание в олигодендроциты. Впоследствии производство миелина также снизилось.
«Иммунные клетки, инфицированные вирусом, выделяют вредные вещества, которые обычно нацелены на вторгшиеся организмы, но могут также убивать близлежащие клетки, такие как нейроны, или мешать им дифференцироваться», – говорит Гринспан. "Итак, следующим шагом было выяснить, что секретируется, чтобы вызвать этот эффект на олигодендроциты."
У исследователей был ключ к разгадке: известно, что глутамат, нейромедиатор, оказывает нейротоксическое действие, когда достигает высоких уровней. «Если у вас слишком много глутамата, у вас большие проблемы», – говорит Гринспан. Разумеется, когда исследователи применили соединение, которое снижает уровень глутамата в ВИЧ-инфицированных макрофагах перед переносом питательной среды на предшественники олигодендроцитов, клетки смогли созреть в олигодендроциты.
Результат предполагает, что глутамат, секретируемый инфицированными макрофагами, был виновником того, что клетки-предшественники «застревали» в своей незрелой форме.
Однако был и другой механизм, который, как подозревали исследователи, мог быть задействован: интегрированная реакция на стресс.
Этот ответ объединяет сигналы от четырех различных сигнальных путей, что приводит к изменениям в экспрессии генов, которые служат для защиты клетки от стресса или побуждают клетку к смерти, если стресс является непосильным. Более ранние результаты лаборатории Джордана-Скиутто показали, что интегрированная реакция на стресс активируется в других типах клеток головного мозга у пациентов с когнитивными нарушениями, связанными с ВИЧ-инфекцией, поэтому команда исследовала также ее участие в олигодендроцитах.
Действительно, они обнаружили доказательства того, что интегрированный стрессовый ответ активизировался в культурах клеток-предшественников олигодендроцитов.
Взяв эту информацию с тем, что они узнали о глутамате, «Линдси смогла связать эти две вещи вместе», – говорит Джордан-Скиутто.
Она продемонстрировала, что ВИЧ-инфицированные макрофаги секретируют глутамат, который активирует комплексную реакцию на стресс, включая путь, управляемый ферментом PERK. «Если вы заблокировали глутамат, вы предотвратили активацию интегрированной реакции на стресс», – говорит Джордан-Скиутто.
Чтобы продолжить эти выводы и, возможно, протестировать новые лекарственные препараты для лечения когнитивных нарушений, связанных с ВИЧ, команда надеется использовать хорошо охарактеризованную модель ВИЧ-инфекции на крысах.
«ВИЧ – это болезнь человека, поэтому ее сложно смоделировать», – говорит Гринспан. "Мы хотим выяснить, отражает ли эта модель человеческое заболевание более точно, чем другие, которые мы использовали в прошлом."
Отслеживая белое вещество на этой модели на животных и сравнивая его с визуализационными исследованиями, проведенными на пациентах с ВИЧ, они надеются лучше понять, какие факторы влияют на потерю белого вещества. Они особенно заинтересованы в наблюдении за группой подростков, проходящих лечение в CHOP, поскольку подростки – это группа, в которой показатели инфицирования ВИЧ растут.
В конечном итоге исследователи хотят отличить эффекты вируса от лекарств, используемых для его лечения, чтобы лучше оценить риски каждого из них.
«Когда мы направляем людей на АРТ, особенно детей или подростков, важно понимать последствия этого», – говорит Джордан-Скиутто. "Антиретровирусные препараты могут предотвратить создание резервуара вирусов в центральной нервной системе, что было бы замечательно, но мы также знаем, что эти препараты могут причинить вред, особенно белому веществу.
«И, конечно же, мы не можем забыть 37 миллионов ВИЧ-инфицированных, которые живут за пределами Соединенных Штатов и могут не иметь доступа к антиретровирусным препаратам, как пациенты здесь», – говорит она. "Мы тоже хотим знать, как мы можем им помочь."