Einzel

2. Juni 2023

Dieser Artikel wurde gemäß dem Redaktionsprozess und den Richtlinien von Science X überprüft. Die Redakteure haben die folgenden Attribute hervorgehoben und gleichzeitig die Glaubwürdigkeit des Inhalts sichergestellt:

faktengeprüft

peer-reviewte Veröffentlichung

Korrekturlesen

von Rachel Gordon, MIT Computer Science & Artificial Intelligence Lab

Ihr Gehirn wird von 400 Meilen Blutgefäßen angetrieben, die Nährstoffe liefern, Abfallprodukte ausscheiden und eine dichte Schutzbarriere – die Blut-Hirn-Schranke – bilden, die steuert, welche Moleküle ein- oder austreten können. Es blieb jedoch unklar, wie sich diese Gefäßzellen des Gehirns zwischen Gehirnregionen oder bei der Alzheimer-Krankheit bei Einzelzellauflösung verändern.

Um dieser Herausforderung zu begegnen, hat ein Team von Wissenschaftlern des Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory (CSAIL) des MIT, des Picower Institute for Learning and Memory und des Broad Institute kürzlich einen systematischen molekularen Atlas der menschlichen Gehirngefäße und ihrer Veränderungen bei der Alzheimer-Krankheit vorgestellt (AD) in sechs Gehirnregionen, in einem in Nature Neuroscience veröffentlichten Artikel.

Die Alzheimer-Krankheit ist eine der häufigsten Todesursachen, betrifft jeden neunten Amerikaner über 65 und führt zu einem schwächenden und verheerenden kognitiven Verfall. Eine beeinträchtigte Funktion der Blut-Hirn-Schranke (BBB) ​​wird seit langem mit Alzheimer und anderen neurodegenerativen Erkrankungen wie Parkinson und Multipler Sklerose in Verbindung gebracht. Die molekularen und zellulären Grundlagen der BHS-Dysregulation sind jedoch nach wie vor unklar, insbesondere bei der Einzelzellauflösung über mehrere Gehirnregionen und viele Spender hinweg.

Die Forscher gingen tief in die Komplexität unserer grauen Substanz ein und erstellten einen molekularen Atlas der menschlichen Gehirngefäße von 428 Spendern, darunter 220 mit Alzheimer diagnostizierten und 208 Kontrollpersonen. Sie charakterisierten über 22.514 Gefäßzellen aus sechs verschiedenen Gehirnregionen und maßen die Expression Tausender Gene für jede Zelle. Die resultierenden Datensätze enthüllten faszinierende Veränderungen in der Genexpression in verschiedenen Gehirnregionen und starke Kontraste zwischen Personen, die an AD leiden, und solchen ohne AD.

„Die Entwicklung einer Alzheimer-Therapie steht vor einer erheblichen Hürde – Gehirnveränderungen beginnen Jahrzehnte vor dem Auftreten kognitiver Anzeichen, und zu diesem Zeitpunkt könnte es bereits zu spät sein, wirksam einzugreifen“, kommentiert Manolis Kellis, Hauptforscher am MIT CSAIL und Professor am MIT EECS, der Leiter der Studie Autor. „Unsere Arbeit kartiert das Terrain von Gefäßveränderungen, einem der frühesten Marker der Alzheimer-Krankheit, in mehreren Hirnregionen und liefert so eine Karte, die biologische und therapeutische Untersuchungen früher im Krankheitsverlauf leiten kann.“

Die Fäden unseres menschlichen Gehirngefäßsystems und jeder Teil unseres Gehirns und Körpers bestehen aus Millionen von Zellen, die alle denselben DNA-Code haben, aber jeweils eine andere Untergruppe von Genen exprimieren, die ihre funktionellen Rollen und ihren unterschiedlichen Zelltyp definieren. Anhand der unterschiedlichen Genexpressionssignaturen verschiedener zerebrovaskulärer Zellen unterschieden die Forscher 11 Arten von Gefäßzellen.

Dazu gehörten Endothelzellen, die die Innenfläche von Blutgefäßen auskleiden und steuern, welche Substanzen durch die BHS gelangen, Perizyten, die sich um kleine Gefäße wickeln und für strukturelle Unterstützung und Blutflusskontrolle sorgen, sowie glatte Muskelzellen, die die mittlere Schicht großer Gefäße bilden und deren Kontraktion und Entspannung reguliert den Blutfluss und -druck, Fibroblasten, die Blutgefäße umgeben und an Ort und Stelle halten, und sie unterscheiden Arteriolen-, Venolen- und Kapillarvenen, die für die verschiedenen Stadien des Blutsauerstoffaustauschs verantwortlich sind.

Die Häufigkeit dieser Gefäßzelltypen unterschied sich zwischen den Gehirnregionen, wobei neokortikale Regionen mehr Kapillarendothelzellen und weniger Fibroblasten aufwiesen als subkortikale Regionen, was die regionale Heterogenität der BHS unterstreicht.

Ausgestattet mit diesen Anmerkungen wurde in der nächsten Phase untersucht, wie sich jeder dieser Zelltypen bei AD verändert. Dabei wurden 2.676 Gene entdeckt, deren Expressionsniveau sich erheblich ändert. Sie fanden heraus, dass kapillare Endothelzellen, die für den Transport, die Abfallentsorgung und die Immunüberwachung verantwortlich sind, die meisten Veränderungen bei AD aufwiesen, einschließlich der Gene, die an der Beseitigung von Amyloid Beta, einem der pathologischen Kennzeichen von AD, beteiligt sind, und lieferten Einblicke in die möglichen mechanistischen Auswirkungen von AD Gefäßdysregulation bei AD-Pathologie.

Zu den anderen dysregulierten Prozessen gehörten die Immunfunktion, die Glukosehomöostase und die Organisation der extrazellulären Matrix, die alle von mehreren Gefäßzelltypen gemeinsam genutzt wurden, sowie zelltypspezifische Veränderungen, einschließlich Wachstumsfaktorrezeptoren in Perizyten sowie Transporter und Energie in Endothelzellen zelluläre Reaktion auf Amyloid Beta in glatten Muskelzellen. Insbesondere die Regulierung der Insulinwahrnehmung und der Glukosehomöostase deutete auf wichtige Zusammenhänge zwischen dem Lipidtransport und der Alzheimer-Krankheit hin, die durch das Gefäßsystem und die Blut-Hirn-Schrankenzellen reguliert werden, was vielversprechend für neue therapeutische Hinweise sein könnte.

„Die Einzelzell-RNA-Sequenzierung bietet ein außergewöhnliches Mikroskop, um einen Blick in die komplizierte Maschinerie des Lebens zu werfen und Millionen von RNA-Molekülen zu ‚sehen‘, die in jeder Zelle vor Aktivität wimmeln“, sagt Kellis, der auch Mitglied des Broad Institute ist. „Dieser Detaillierungsgrad war noch vor wenigen Jahren unvorstellbar, und die daraus resultierenden Erkenntnisse können für das Verständnis und die Bekämpfung komplexer psychiatrischer und neurodegenerativer Erkrankungen von entscheidender Bedeutung sein.“

Gene handeln nicht aus einer Laune heraus und sie handeln nicht allein. Zelluläre Prozesse werden durch eine komplexe Reihe von Regulatoren oder Transkriptionsfaktoren gesteuert, die vorgeben, welche Gengruppen unter verschiedenen Bedingungen und in verschiedenen Zelltypen aktiviert oder deaktiviert werden sollen. Diese Regulatoren sind dafür verantwortlich, unser Genom, das „Buch des Lebens“, zu interpretieren und in die unzähligen unterschiedlichen Zelltypen in unserem Körper und unserem Gehirn umzuwandeln. Diese Regulatoren könnten dafür verantwortlich sein, wenn etwas schief geht, und sie könnten auch entscheidend sein Dinge reparieren und gesunde Zellzustände wiederherstellen.

Da Tausende von Genen veränderte Expressionsniveaus bei der Alzheimer-Krankheit aufweisen, versuchten die Forscher dann, die potenziellen Vordenker hinter diesen Veränderungen zu finden. Sie fragten, ob gängige regulatorische Kontrollproteine ​​auf zahlreiche veränderte Gene abzielen, die mögliche therapeutische Ziele zur Wiederherstellung der Expressionsniveaus einer großen Anzahl von Zielgenen darstellen könnten. Tatsächlich fanden sie mehrere solcher „Master-Controller“, die an der Regulierung der Endotheldifferenzierung, der Entzündungsreaktion und des epigenetischen Zustands beteiligt sind und potenzielle Angriffspunkte für Arzneimittelziele gegen AD darstellen.

Zellen funktionieren nicht isoliert; Vielmehr sind sie auf die Kommunikation untereinander angewiesen, um biologische Prozesse zu koordinieren. Diese interzelluläre Kommunikation ist innerhalb der zellulären Vielfalt des Gehirns besonders komplex, da viele Faktoren an Wahrnehmung, Gedächtnisbildung, Wissensintegration und Bewusstsein beteiligt sind. Insbesondere haben Gefäßzellen komplizierte Wechselwirkungen mit Neuronen, Mikroglia und anderen Gehirnzellen, die bei pathologischen Ereignissen, wie etwa bei der Alzheimer-Krankheit, eine erhöhte Bedeutung erlangen, wo eine Fehlregulation dieser zellulären Kommunikation zum Fortschreiten der Krankheit beitragen kann.

Sie fanden heraus, dass die Interaktionen von Kapillarendothelzellen mit Neuronen, Mikroglia und Astrozyten bei AD stark erhöht waren, während Interaktionen in umgekehrter Richtung, von Neuronen und Astrozyten mit Kapillarendothelzellen, bei AD verringert waren. Diese Asymmetrie könnte wichtige Hinweise für mögliche Interventionen liefern, die auf das Gefäßsystem und insbesondere auf kapillare Endothelzellen abzielen, mit letztendlich weitreichenden positiven Auswirkungen auf das Gehirn.

„Die Dynamik vaskulärer Zellinteraktionen bei AD bietet einen Einstiegspunkt für Gehirninterventionen und potenzielle neue Therapien“, sagt Na Sun, ein MIT CSAIL- und EECS-Absolvent und Erstautor der Studie. „Da die Blut-Hirn-Schranke viele Medikamente daran hindert, das Gehirn zu beeinflussen, könnten wir vielleicht stattdessen die Blut-Hirn-Schranke selbst manipulieren und sie begünstigte Signale an den Rest des Gehirns weiterleiten lassen. Unsere Arbeit liefert eine Blaupause für zerebrovaskuläre Interventionen bei der Alzheimer-Krankheit.“ indem wir entschlüsseln, wie zelluläre Kommunikation die Auswirkungen genetischer Varianten bei AD vermitteln kann.“

Der Ausbruch von Krankheiten in unserem Körper (und in unserem Gehirn) wird durch eine Kombination aus genetischen Veranlagungen und Umwelteinflüssen geprägt. Auf genetischer Ebene werden die meisten komplexen Merkmale durch Hunderte winziger Sequenzveränderungen geformt, die als Einzelnukleotid-Polymorphismen (oder SNPs, ausgesprochen Snips) bekannt sind und von denen die meisten durch subtile Veränderungen der Genexpressionsniveaus wirken.

So subtil ihre Auswirkungen auch sein mögen, diese genetischen Veränderungen können ursächliche Ursachen für Krankheiten aufdecken, was die Chance auf einen therapeutischen Erfolg für genetisch unterstützte Zielgene im Vergleich zu Zielgenen ohne genetische Unterstützung erheblich erhöhen kann.

Um zu verstehen, wie sich genetische Unterschiede im Zusammenhang mit Alzheimer auf das Gefäßsystem auswirken könnten, versuchten die Forscher anschließend, Gene, die bei Alzheimer eine veränderte Expression zeigten, durch genetische Studien an Tausenden von Personen mit genetischen Regionen zu verbinden, die mit einem erhöhten Alzheimer-Risiko verbunden sind. Sie verknüpften die genetischen Varianten (SNPs) mit möglichen Zielgenen anhand von drei Beweislinien: physische Nähe im dreidimensional gefalteten Genom, genetische Varianten, die die Genexpression beeinflussen, und korrelierte Aktivität zwischen entfernten regulatorischen Regionen und Zielgenen, die ein- und ausgeschaltet werden zusammen zwischen verschiedenen Bedingungen.

Dies führte nicht nur zu einem Treffer, sondern zu 125 genetischen Regionen, in denen Alzheimer-assoziierte genetische Varianten mit Genen mit gestörten Expressionsmustern bei der Alzheimer-Krankheit verknüpft waren, was darauf hindeutet, dass sie diese ursächlichen genetischen Effekte vermitteln könnten und somit gute Kandidaten für therapeutisches Targeting sein könnten. Einige dieser vorhergesagten Treffer waren direkte Treffer, bei denen die genetische Variante direkt auf ein benachbartes Gen einwirkte. Andere waren indirekt, wenn die genetische Variante stattdessen die Expression eines Regulators beeinflusste, der dann die Expression seiner Zielgene beeinflusste. Bei anderen wurde vorhergesagt, dass sie indirekt über Zell-Zell-Kommunikationsnetzwerke erfolgen.

Während die meisten genetischen Auswirkungen subtil sind, gibt es sowohl bei Alzheimer als auch bei fast allen komplexen Erkrankungen Ausnahmen. Eine solche Ausnahme ist die FTO bei Fettleibigkeit, die das Fettleibigkeitsrisiko um eine Standardabweichung erhöht. Ein weiteres Problem ist Apolipoprotein E (ApoE) bei der Alzheimer-Krankheit, bei dem das e4- vs. e3-Allel das Risiko für Träger von zwei Risiko-Allelen, die von jedem Elternteil eine „unglückliche“ Kopie geerbt haben, um mehr als das Zehnfache erhöht.

Angesichts dieser starken Effektgröße fragten die Forscher dann, ob ApoE4-Träger spezifische Veränderungen in Gefäßzellen zeigten, die bei ApoE3-Trägern nicht gefunden wurden. Tatsächlich fanden sie Häufigkeitsveränderungen im Zusammenhang mit dem ApoE4-Genotyp, wobei kapillare Endothelzellen und Perizyten eine starke Herunterregulierung der Transportgene zeigten. Dies hat wichtige Auswirkungen auf potenziell präventive Behandlungen, die auf den Transport in ApoE4-Trägern abzielen, insbesondere angesichts der Rolle von ApoE als Cholesterintransporter und der zunehmend anerkannten Rolle des Lipidstoffwechsels bei der Alzheimer-Krankheit.

„Die Entdeckung dieser AD-differenziellen Gene gibt uns einen Einblick, wie sie möglicherweise an der Verschlechterung oder Funktionsstörung der Schutzbarriere des Gehirns bei Alzheimer-Patienten beteiligt sind, und wirft Licht auf die molekularen und zellulären Wurzeln der Krankheitsentwicklung“, sagt Kellis. „Sie eröffnen auch mehrere Wege für die therapeutische Entwicklung und deuten auf eine Zukunft hin, in der diese Einstiegspunkte für neue Alzheimer-Behandlungen genutzt werden könnten, die direkt auf die Blut-Hirn-Schranke abzielen. Die Möglichkeit, das Fortschreiten der Krankheit zu verlangsamen oder sogar aufzuhalten, ist wirklich aufregend.“

Die Umsetzung dieser Erkenntnisse in praktikable Therapeutika wird eine Forschungsreise sein, die strenge präklinische und klinische Studien erfordert. Um diese potenziellen Therapien den Patienten zugänglich zu machen, müssen die Wissenschaftler verstehen, wie sie die entdeckten fehlregulierten Gene sicher und effektiv angreifen und feststellen können, ob eine Änderung ihrer Aktivität AD-Symptome lindern oder umkehren kann, was eine umfassende Zusammenarbeit zwischen Ärzten und Ingenieuren sowohl in der Wissenschaft als auch in der Wissenschaft erfordert Industrie.

Mehr Informationen: Na Sun et al., Single-Core-Multiregion-Transkriptomanalyse des Gehirngefäßsystems bei der Alzheimer-Krankheit, Nature Neuroscience (2023). DOI: 10.1038/s41593-023-01334-3