8 Minutės
Viena praleista molekulė gali tapti netikėtu svertu mokymosi ir atminties gerinimui Dauno sindrome. Nauji laboratoriniai tyrimai rodo, kad pleiotrofinas — proteinas, įprastai gausus smegenų vystymosi metu — gali būti potencialus būdas pertvarkyti subrendusias smegenų grandines ir padidinti sinapsinį lankstumą. Rezultatai yra ankstyvi ir preklininiai, tačiau atveria alternatyvų kelią gydymo strategijoms, kurios neturi apsiriboti vien tik prenataliniais langais.
Why scientists are looking beyond neurons
Dauguma kognityvinių sutrikimų tyrimų orientuojasi į neuronus — smegenų elektrinius siuntėjus. Tačiau vis daugiau darbų išryškina pagalbinį vaidmenį atliekantį ansamblį: glijos ląsteles, ypač astrocitus, kurie išskiria molekules formuojančias sinapses ir modifikuojančias grandinių veikimą. Salk instituto mokslininkai, bendradarbiaudami su mokslininkais, kurie dabar dirba Vašingtono universiteto (University of Virginia) medicinos mokykloje, atliko smegenų baltymų skreeninimą Dauno sindromo pelių modelyje ir nustatė, kad pleiotrofino kiekiai buvo neįprastai maži.
Pleiotrofinas (PTN) yra intensyviai išreiškiamas svarbiausiais vystymosi etapais ir veikia aksonų bei dendritų augimą, sinapsių formavimąsi ir signalų pusiausvyrą, kuri lemia mokymąsi. Kadangi šis baltymas yra sekretuojamas — ląstelės jį išskiria į aplinkinį audinį — jis gali veikti šalia esančius neuronus ir pertvarkyti jungtis be tiesioginio neurono DNR modifikavimo.
Pastaraisiais metais neurologijos tyrimuose vis labiau atkreipiamas dėmesys į glijų biologiją: astrocitai ir kitos glijos ląstelės inicijuoja molekulinius signalus, palaiko jonų ir neuromediatorių homeostazę ir aktyviai dalyvauja sinapsinės plastikos reguliavime. Tokie atradimai plečia galimus gydymo taikinius — nuo neuronų orientuotų strategijų prie metodų, kurie naudoja astrocitus kaip „molekulinius tiekėjus" arba moduliuotojus. Ši perspektyva ypač svarbi neurovystymosi sutrikimams, kur subrendę tinklai galbūt vis dar iš dalies plastiniai ir juos galima reprogramuoti per ekstraląstelinius signalus.
From lab mice to restored plasticity
Siekiant patikrinti, ar pleiotrofino atkūrimas gali taisyti pažeistas grandines, tyrėjai panaudojo virusinius vektorius, kad tiekti baltymą astrocitams suaugusiose pelėse. Virusiniai vektoriai yra genetiškai inžineruoti, ligos nesukeliantys virusai, naudojami pernešti genetinę informaciją į ląsteles; šiuo atveju jų krovinyje buvo pleiotrofino kodas, leidžiantis astrocitams vietoje išskirti šį baltymą.
Eksperimentinis dizainas apėmė keleto lygmenų analizę: molekulinę, ląstelėinę, tinklinę ir elgsenos lygius. Mokslininkai patikrino pleiotrofino ekspresiją po vektorių perdavimo, įvertino astrocitų būsenos pokyčius, sinapsinį tankį ir funkcines sinapsijos savybes elektrofiziologiniais metodais, o taip pat atliko elgsenos testus, orientuotus į atmintį ir erdvinį mokymąsi, kuriuose pagrindinę reikšmę turi hipokampas.
Stebėtina, kad suaugusios pelės, gydytos tokiu būdu, parodė sinapsių skaičiaus padidėjimą hipokampe — smegenų srityje, esminėje naujų prisiminimų formavimuisi — ir padidėjusią sinapsinę plastiką, t. y. smegenų gebėjimą keistis patirtimi. Elgesio bandymuose gydytos gyvūnų grupės geriau atliko užduotis, priklausančias nuo hipokampo funkcijos, pavyzdžiui, erdvinius labirintus ir atminties atpažinimo testus. Kadangi šie pokyčiai įvyko po smegenų vystymosi pabaigos, rezultatai leidžia manyti, kad intervencijų langas gali išsiplėsti iki suaugusio amžiaus, kas turi svarbių klinikinių pasekmių.
Detalūs elektrofiziologiniai matavimai parodė, kad pleiotrofino gaivinimas keičia sinapsių savybes: padidėja ilgalaikės potencializacijos (LTP) ribos ir pagerėja sinapsinis atsakas į stimulo serijas, o tai koreliuoja su geresniu mokymusi ir atmintimi. Be to, histologinė analizė atskleidė didesnį dendritinių spurgų tankį ir pokyčius sinapsinių baltymų ekspresijoje, susijusių su struktūrine sinaptogeneze.
What the experiment did — and did not — show
- Tyrime naudotas pelių Dauno sindromo modelis; žmonių bandymai nebuvo vykdyti.
- Pleiotrofino tiekimas taikė astrocitus ir padidino sinaptogenezę (sinapsių formavimąsi) hipokampe.
- Stebimos funkcinės plastikos ir elgsenos gerovės patobulinimai rodo, kad molekulė gali modifikuoti subrendusias grandines.
- Tyrėjai perspėja, kad pleiotrofinas greičiausiai nėra vienintelė kognityvinių skirtumų priežastis Dauno sindrome; tai gali būti vienas iš kelių veiksnių.
"Šis darbas parodo, kad astrocitai nėra vien tik palaikomosios ląstelės — jie gali būti potencialios molekulių tiekimo platformos, kurios gali pertvarkyti grandines net suaugusiose smegenyse," sakė Ashley N. Brandebura, PhD, tyrimų komandos narė, dabar dirbanti UVA medicinos mokykloje. Nors optimistiškai nusiteikę, ji ir kolegos pabrėžia ilgą kelią nuo pelių eksperimentų iki saugių ir veiksmingų gydymo priemonių žmonėms.
Atsižvelgiant į gautus duomenis, ateities eksperimentai turėtų apimti laiko trukmės stebėjimus — ar pagerėjimai išlieka ilgą laiką — taip pat išmatuoti, ar pasiekti rezultatai turi šalutinių ar kompensacinių efektų kitose smegenų srityse. Be to, būtina išsiaiškinti, ar pleiotrofino poveikis yra universalus įvairiems Dauno sindromo genotipams arba ar tai priklauso nuo konkrečių papildomų genetinių ir epigenetinių veiksnių.
Scientific background and broader implications
Dauno sindromas kyla dėl papildomos 21 chromosomos kopijos (trisomija 21) ir, pagal CDC duomenis, Jungtinėse Valstijose paliečia maždaug 1 iš 640 gimusių vaikų. Ši būklė siejama su vystymosi vėlavimais, padidėjusia tam tikrų medicininių komplikacijų rizika ir būdingais smegenų struktūros bei funkcijos pokyčiais. Istoriškai bandymai keisti neur ūninį vystymąsi dažnai koncentruodavosi į siaurus prenatalinius langus — tai ribojo galimybes gydymui vyresniems vaikams ir suaugusiems.
Šiuolaikiniai neuromokslai parodė, kad sinapsinės grandinės gali išlaikyti dalinį plastinį potencialą net subrendusiame smegenų audinyje, ypač jeigu manipuliuojama ekstraląstelinių signalų lygiu arba astrocitų funkcija. Tokios strategijos leidžia svarstyti alternatyvas ankstyvajai intervencijai: vietoj pastangų užkirsti kelią ankstyviesiems vystymosi nukrypimams, galime bandyti perprogramuoti arba sustiprinti grandines vėlesniame gyvenimo etape.
Pleiotrofino gebėjimas didinti plastikumą siūlo papildomas gydymo kryptis: šį baltymą galima derinti su genų terapijomis, mažos molekulinės masės vaistais ar baltymų infuzijomis, skirtomis sustiprinti sinaptogeninius signalus. Tokios kombinacijos galėtų užtikrinti platesnį poveikį, nukreiptą tiek į molekulinius mechanizmus, tiek į ląstelines sistemos sudedamąsias dalis.
Tyrėjai taip pat pažymi galimą pritaikomumą ne tik Dauno sindromui. Jei astrocitų valdomas pleiotrofino tiekimas, arba kitos plastikumą indukuojančios molekulės, veiks kituose modeliuose, tai galėtų būti taikoma neurovystymosi sutrikimams, pvz., Rentgeno fragiliam X sindromui (fragile X), arba, teoriškai, tam tikroms neurodegeneracinėms ligoms, kur sinapsų netektys prisideda prie kognityvinio nuosmukio. Tokia perspektyva gali išplėsti neuroterapijų taikymo sritis ir skatinti tyrimus, orientuotus į sinapsų atkūrimą bei tinklų stabilizavimą.
Be to, plataus masto biologiniai tyrimai apie pleiotrofiną gali atskleisti naujų tikslų ir signalo kelių, susijusių su sinaptogeneze, astrocitų-neurono bendradarbiavimu ir ekstraląstelinių matricų sąveikomis. Ši informacija svarbi kuriant tikslines terapijas, biomarkerius ir diagnostikos priemones, leidžiančias geriau įvertinti gydymo efektyvumą klinikiniuose tyrimuose.
Risks, unknowns and the road ahead
Vis dar lieka svarbių pastabų ir neaiškumų. Virusinio vektoriaus tiekimas susijęs su saugumo klausimais, kuriuos reikia griežtai įvertinti didesniuose gyvūnų modeliuose ir, galiausiai, žmonių klinikiniuose tyrimuose. Imuninės reakcijos į vektorinius komponentus, genų ekspresijos lygio kontrolė ir galimos nepageidaujamos integracijos ar uždegiminės reakcijos — visi šie aspektai reikalauja kruopščios analizės.
Nervų sistema yra subtilus ir subalansuotas tinklas: per didelis plastikos lygis arba netikslingas sinapsių formavimasis gali sukelti nepageidaujamų padarinių, tokių kaip epizodinės hiperaktyvios grandinės, sutrikęs tinklų funkcionalumas ar net padidėjusi traukulių rizika. Todėl būtina nustatyti saugius ekspresijos slenksčius, erdvinius ir laiko parametrus, taip pat kurti reguliuojamas ekspresijos sistemas, leidžiančias sustabdyti arba koreguoti pleiotrofino gamybą pagal poreikį.
Be to, Dauno sindromas yra daugiasluoksnė būklė su daugybe genetinių ir molekulinių prisidėjimų; pleiotrofino pagrindu sukurtos strategijos gali būti veiksmingos tik kaip daugiakomponentės programos dalis. Tai gali apimti genų terapiją, neuromoduliatorius, reabilitacines priemones ir neurokognityvinius mokymosi protokolus, kurie kartu suteiktų didesnį ir tvaresnį poveikį.
Ateities darbai sieks tiksliai žemėlapyje parodyti, kaip pleiotrofinas keičia sinapsinius tinklus: nustatys molekulinius partnerius, receptorius ir signalinius kelius, optimizuos tiekimo metodus (pvz., skirtingų vektorių sistemas, tiesiogines baltymų infuzijas ar nanopartikulines platformas) ir apibrėš ilgalaikius rezultatus ir saugumo profilį. Mokslininkai taip pat ieškos papildomų molekulių, kurios kartu suteiktų stipresnį ar selektyvesnį efektą, bei bandys kombinuoti biologines ir elgesio interven cijas.
Expert Insight
"The shift toward targeting glial cells is a pivotal moment in neurotherapeutics," sako Dr. Elena Torres, fiktyvi, bet iliustruojanti neurobiologė, specializuojanti sinapsinėje atstatyme. "Astrocitai natūraliai koordinuoja sinapsių formavimą; panaudojus šį vaidmenį galėtume paskatinti subrendusias grandines sugrįžti į labiau plastinę, taisomą būseną. Tai nereiškia, kad kitais metais turėsime klinikinį gydymą, bet tai keičia klausimus ir technologijas, kurioms reikia skirti prioritetą — ypač saugioms tiekimo sistemoms ir tiksliai ekspresijos kontrolei."
Trumpai tariant, pleiotrofinas siūlo įkvepiantį koncepcijos įrodymą: sekretuojamos molekulės iš neneuronalinių ląstelių gali pakeisti suaugusių smegenų architektūrą ir elgesį. Šis atradimas pertvarko mokslininkų požiūrį į terapijų taikymo laiką ir tikslus kognityviniams sutrikimams gydyti ir gali įkvėpti naujas translacines tyrimų kryptis. Tolesni tyrimai, įskaitant platesnius preklininius modelius ir galimus saugumo optimizavimus, yra būtini, kad ši strategija būtų pritaikyta klinikinei praktikai.
Šaltinis: scitechdaily
Palikite komentarą