7 Minutės
Johns Hopkins Medicine tyrėjai aptiko mikroskopinius nanotubulinius kanalus tarp neuronus sudarančių ląstelių, kurie gali pernešti toksiškas molekules — atradimas, praplečiantis iki šiol nepastebėtą smegenų jungiamumą ir galintis paaiškinti, kaip plinta Alzheimerio patologija. Naudodami itin didelės raiškos vaizdavimo metodus pelėms ir viešai prieinamus žmogaus elektroninės mikroskopijos duomenų rinkinius, mokslininkai stebėjo ilgus, plonus dendritinius nanotubus, pernešančius amyloid-β bei kitas mažesnes toksines daleles tarp ląstelių, kas rodo naują galimą terapinį taikinį.
Johns Hopkins Medicine mokslininkai teigia, kad tarpląstelinės nanotubos (plonos, žaliai dominuojančios, tilto formos jungtys) sudaro papildomą komunikacijos sluoksnį neuronų tinkle. Credit: Minhyeok Chang, Ph.D. Šis sluoksnis nebūtinai pakeičia klasikinį sinapsinį signalizavimą, tačiau prideda naują mechanizmą, per kurį gali judėti jonai, kalcis ir mažos molekulės, įskaitant patologinius baltymus.
Ką komanda rado ir kodėl tai svarbu
Įsivaizduokite neuronus, kurie ne tik keičiasi signalais per sinapses, bet ir siunčia nedidelius „siuntinius“ per vamzdinių struktūrų tiltelį. Tai — pagrindinė idėja, išryškėjusi tyrime, paskelbtame žurnale Science spalio 2 d., kuriame autoriai apibūdina vadinamąjį "nanotubulinio jungiamumo sluoksnį" žinduolių smegenyse. Šios nanotubos — itin ploni membraniniai kanalai, jungiantys kaimyninių neuronų dendrites —, atrodo, perduoda ne tik elektrolitus ar kalcį, bet ir smulkesnes toksiškas molekules, tokias kaip amyloid-β, iš vienos ląstelės į kitą, galimai prisidedant prie patologinių židinių lokalizacijos ir plitimo.
"Ląstelės turi pašalinti toksiškas medžiagas, ir kurdamos nanotubą jos gali perduoti šį toksišką junginį kaimyninei ląstelei," sakė Hyungbae Kwon, neurologijos docentas Johns Hopkins University School of Medicine ir straipsnio korespondentas. "Deja, tai taip pat reiškia, kad žalingi baltymai gali plisti į kitas smegenų sritis." Šiame kontekste nanotubos atlieka dvilypę funkciją: jos gali būti ir atliekų šalinimo mechanizmas, ir vektorius, pernešantis patologinius krovinius į tolimas vietas.
Tokio mechanizmo egzistavimas suteikia naują teorinį pagrindą ankstyvajai neurodegeneracijos stadijai suprasti. Kompiuteriniai modeliai, atlikti tyrėjų komandos, reprodukavo anksčiau Alzheimerio modeliui skirtose pelėse pastebimus ankstyvo amyloidinio akumuliacijos šablonus, kas sustiprina hipotezę, kad nanotubomis tarpininkaujamas pernešimas gali pagreitinti lokalią patologinių baltymų "sėją" ir spartinti ligos progresiją vietiniu mastu.
Kaip atradimas buvo padarytas: metodai ir įrodymai
Tyrėjai panaudojo genetinius pelės modelius, linkusius kaupti amyloidą, ir gyvos ląstelės didelės raiškos mikroskopiją, kad vizualizuotų nanotubų formavimąsi smegenų pjūviuose. Jie fiksavo ilgus, stulpelius primenančius išsikišimus, jungiančius dendrites, ir tiesiogiai sekė fluorescenciniu žymėjimu pažymėtų molekulių judėjimą per šiuos kanalus. Tokie tiesioginiai vaizdai leido nustatyti, kad molekulės juda per membranines, plonas struktūras, o ne vien tik per ekstracelulinę terpę ar sinaptinius tarpus.
Siekiant patikrinti šio reiškinio svarbą žmonėms, autoriai peržiūrėjo viešai prieinamus žmogaus elektroninės mikroskopijos duomenų rinkinius ir aptiko nanotubas su panašia morfologija, jungiančias žmogaus neuronus. Tai rodo, kad stebimos struktūros nėra tik gyvūnų modelių artefaktas, o gali turėti biologinį pagrindą ir žmogaus smegenyse.
Pelėms, genetiškai programuotoms vystytis Alzheimeriui panašiai amyloidų plokštelėms, nanotubų skaičius buvo padidėjęs tris mėnesius po gimimo — laikotarpiu, kuriame gyvūnai neturi išorinių ligos simptomų. Šešių mėnesių amžiuje, kai plokštelių patologija tampa labiau išreikšta, nanotubų skaičiai tarp transgeninių ir kontrolinių pelių susilygino. Tokia laiko dinamika leidžia daryti prielaidą, kad nanotubų proliferacija gali būti aktyviausia ankstyvose, priešklinikinėse ligos fazėse, kai dar nėra akivaizdžių elgesio ar atminties sutrikimų.
Be vizualinių stebėjimų, mokslininkai taikė kvantitatyvius analizės metodus: jie matavo nanotubų ilgį, diametrą, jungčių tankį tam tikruose smegenų regionuose, taip pat stebėjo fluorescencinių žymenų greitį ir kryptį. Kontroliniai eksperimentai apėmė ląstelių žymėjimą, membranų stabilumo testus ir vaizdų atkartojimą nepriklausomose mėginiuose, siekiant sumažinti interpretavimo klaidų riziką.
Palaikoma komanda ir finansavimas
Projektui vadovavo H. Kwon, prisidėjo Minhyeok Chang, Sarah Krüssel, Juhyun Kim, Daniel Lee, Alec Merodio ir Jaeyoung Kwon iš Johns Hopkins, o bendradarbiavo Laxmi Kumar Parajuli ir Shigeo Okabe iš Tokijo universiteto. Finansavimas gautas iš Nacionalinių sveikatos institutų (National Institutes of Health) (DP1MH119428 ir R01NS138176). Šie grįžtamieji duomenys ir paramos šaltiniai sustiprina tyrimo patikimumą ir suteikia pagrindą tolesniems eksperimentams skirtiems translacijai bei terapinių priemonių kūrimui.
Reikšmė Alzheimerio tyrimams ir galimoms terapijoms
Tyrimo rezultatai atveria kelias translacines kryptis. Jei dendritinės nanotubos yra viena iš amyloid-β plitimo krypčių, tada jų formavimosi moduliavimas — arba slopinant, kad būtų sumažintas patologijos plitimas, arba trumpalaikiai jų aktyvinimai siekiant pagerinti toksiškų molekulių šalinimą — gali tapti nauja terapine strategija. Tokios strategijos gali apimti mažas molekules, kurios keičia membranų stabilumą, genų redaktavimo priemones, kurios reguliuoja acto-miozino ar citoskeleto komponentus, arba biologinius preparatus, nukreiptus į specifinius nanotubų susidarymo baltymus.
Kwon ir kolegos siūlo būsimus eksperimentus, kuriuose būtų tyčia sukuriamos arba blokuojamos nanotubos, siekiant ištirti, kaip šių struktūrų manipuliacija veikia neurono sveikatą, baltymų agregaciją ir pažintinius rezultatus gyvūnų modeliuose. Tokie bandymai apimtų ląstelių lygmens tyrimus, organoidų studijas bei ilgalaikes in vivo intervencijas su elgesio testais ir neuropatologine analizė.
Be Alzheimerio ligos, nanotubų tinklai gali turėti reikšmės ir kitoms neurodegeneracinėms ligoms, kur neteisingai sulankstyti arba patologiniai baltymai plinta ląstelė nuo ląstelės, pavyzdžiui, Parkinsono ligai ar amiotrofinei lateralinei sklerozei (ALS). Svarbūs aspektai vaistų kūrėjams ir neuromokslininkams bus nanotubų struktūrinės ir funkcionalinės charakteristikos — jų ilgis, skersmuo, stabilumas, bei molekulinis selektyvumas, t. y. kokios molekulės ir baltymai gali būti pernešami efektyviausiai.
Taip pat verta paminėti imuninės sistemos vaidmenį: mikroglijos ir astrocitai gali reaguoti į nanotubų pernešamą medžiagą, keisdami uždegiminį atsaką ar skatindami baltymų pašalinimą. Todėl intervencijos, skirtos nanotubų reguliavimui, turi būti vertinamos kompleksiškai — ne tik pagal jų įtaką baltymų plitimui, bet ir pagal poveikį neuroimuniniams mechanizmams bei bendram smegenų mikroaplinkos homeostazės palaikymui.
Galiausiai, nuo diagnostikos perspektyvos, jeigu nanotubų aktyvumas susijęs su ankstyva amyloidų sklaida, tai gali paskatinti biomarkerių paiešką, orientuotą į nanotubų generavimo ar funkcijos rodiklius. Tokie biomarkeriai galėtų būti aptikti smegenų vaizdavimo metodais (pavyzdžiui, PET žymenimis, jei būtų sukurti specifiniai ligandai) arba pažangesniais cerebrospinalinio skysčio bei kraujo tyrimais, identifikuojančiais su nanotubomis susijusias molekules.
Eksperto įžvalgos
"Šis atradimas prideda naują sluoksnį mūsų neuronų komunikacijos žemėlapyje," sakė dr. Elena Vargas, fiktyvi neurobiologė ir mokslo komunikatorė, turinti patirties baltymų agregacijos srityje. "Tai keičia mūsų supratimą apie ląstelių atliekų šalinimą ir galimus šių mechanizmų netyčinius padarinius. Nukreipti terapijas į nanotubų dinamiką gali būti išradingas būdas įsikišti ankstyvoje ligos stadijoje, tačiau reikia kruopščių tyrimų, kad nebūtų sutrikdyti naudingieji pašalinimo keliai."
Johns Hopkins komandos tolesni žingsniai apima nanotubų tinklų kartografavimą skirtingų tipų smegenų ląstelėse, kontroliuojamo nanotubų formavimo in vitro inžineriją ir bandymus, ar nanotubų dažnio pakeitimas keičia amyloidozės eigą in vivo. Jei šie tyrimai pasiteisintų, jie galėtų nurodyti į konkrečius vaistų taikinius arba inžinerinius biologinius preparatus, kurie selektyviai moduliuoja tarpląstelinio kanalizavimo aktyvumą.
Šiuo metu atradimas persvarsto ankstyvąją Alzheimerio patologiją: ne tik kaip lokalizuotą plokštelių formavimąsi, bet kaip dinaminį procesą, kuriame svarbų vaidmenį vaidina mikroskopiniai laidai jungiantys neuronų bendruomenes. Ši nauja perspektyva gali pakeisti tyrėjų požiūrį į biomarkerių paiešką ir ankstyvų intervencijų projektavimą, skirtą sulėtinti arba sustabdyti ligos plitimą.
Apibendrinant, nors daug klausimų lieka atvirų — pavyzdžiui, kokie molekuliniai mechanizmai reguliuoja nanotubų susidarymą, kaip užtikrinti selektyvų terapijų taikymą be šalutinio poveikio ir ar žmogaus smegenyse šis mechanizmas atlieka tokį patį vaidmenį kaip gyvūnų modeliuose — ši publikacija suteikia tvirtą pagrindą tolesniems eksperimentams ir potencialiai atveria naujus kelius kovai su Alzheimerio liga bei kitomis neurodegeneracinėmis ligomis.
Šaltinis: sciencedaily
Palikite komentarą