Древняя система очистки мозга пауков и людей: новая надежда в борьбе с болезнью Альцгеймера

Ученые открыли древнюю систему очистки мозга, которая может быть нарушена при болезни Альцгеймера. Новое исследование, опубликованное в Журнале сравнительной нейрологии, выявило ранее неизвестную систему удаления отходов в человеческом мозге, которая, похоже, играет ключевую роль в поддержании здоровья нейронов. Исследователи обнаружили, что специализированные глиальные клетки используют крошечные каналы, чтобы извлекать отходы из нейронов в структуры, напоминающие микроскопические контейнеры. Когда эта система нарушается, это может привести к катастрофическому вздутию и распаду нейронов — характерным признакам болезни Альцгеймера. Команда сделала это открытие, сначала изучив аналогичную систему в мозгах пауков.

Болезнь Альцгеймера является наиболее распространенной формой деменции, затрагивающей миллионы людей по всему миру. Она характеризуется прогрессирующей потерей памяти, путаницей и изменениями в мышлении или поведении. Ученые давно связывают эти симптомы с двумя типами белковых отложений в мозге: бета-амилоидными бляшками и тау-нитями. Но как эти отходы образуются и накапливаются, а также вызывают ли они болезнь или являются ее следствием, остается неясным. Одна из гипотез заключается в том, что проблемы с механизмами удаления отходов могут играть роль.

Новое исследование возглавила нейробиолог Рут Фабиан-Файн из Колледжа Святого Михаила, которая изучала дегенерацию мозга у центральноамериканского бродячего паука. Некоторые из пауков в ее лаборатории начали демонстрировать ранние признаки нейродегенерации, что побудило ее более подробно изучить их мозговую структуру. То, что она обнаружила, было неожиданным: сеть глиальных клеток, образующих обернутые миелином „каналы“, которые проникают в нейроны для удаления клеточного мусора. Эти каналы, казалось, представляли собой встроенную систему очистки для мозга. Когда они выходили из строя, нейроны пауков опустошались и погибали.

"Это открытие было совершенно случайным. Мы работали с модельной системой беспозвоночных, используя центральноамериканского бродячего паука, Cupiennius salei. Когда я переехала в США, многие из животных показывали поведенческие признаки нейродегенерации в молодом возрасте, когда у них не должно было быть этих симптомов", - объяснила Фабиан-Файн, доцент биологии и нейробиологии.

"Чтобы спасти колонию, мы исследовали, почему нервная система дегенерировала у этих животных. Я поняла, что проблема заключалась в структурной аномалии канальной системы, которую я первоначально обнаружила во время своей работы на уровне кандидата наук в Германии. Мое исследование показало, что затронутая система - это глиальная канальная система, которая удаляет отходы из нейронов пауков. Когда эта система страдала структурно у дегенерирующих пауков, результатом стало катастрофическое истощение нейронов".

"Я также обнаружила, что причиной ее сбоя в США было то, что температура в комнате пауков была ниже. Это замедляло важные ферменты, поддерживающие критические структурные белки в этой системе, что приводило к нейродегенерации".

Понимая потенциальное значение этой системы, Фабиан-Файн сотрудничала с нейропатологом Джоном С. ДеУитом из Университета Вермонта. Вместе они изучили мозговую ткань крыс и людей — как здоровых индивидуумов, так и людей, умерших от болезни Альцгеймера. Используя продвинутые методы визуализации, включая электронную микроскопию и маркирование РНК, они обнаружили почти идентичную глиальную канальную систему в ткани гиппокампа человека. Эти каналы были образованы эпендимальными глиальными клетками, которые экспрессируют белок водного канала аквапорин-4 и вытягивают длинные миелинизированные проекции в соседние нейроны.

В здоровых человеческих мозгах эти проекции, похоже, эффективно удаляют клеточные отходы, образуя небольшие структуры-резервуары для отходов внутри нейронов. Но в ткани пациентов с болезнью Альцгеймера система, похоже, разрушалась. Глиальные клетки становились опухшими и деформированными, а их проекции расширялись до больших, толстых структур, забитых клеточным мусором. Это вздутие часто сопровождалось постепенной потерей цитоплазмы в нейронах, в конечном итоге оставляя их пустыми и мертвыми. Исследователи предложили новый термин для этого процесса: "глиаптоз", форма клеточной смерти, вызванная глиальными клетками.

Команда также обнаружила, что эти структуры-резервуары для отходов были помечены белками, связанными с болезнью Альцгеймера, включая амилоид бета, тау и пресенилин 1. На ранних стадиях дегенерации эти белки, похоже, накапливались в небольших глиальных выступах, которые вторгались в нейроны. На более поздних стадиях эти заполненные отходами структуры расширялись и заполняли внутренности нейронов, тесно соответствуя губчатому, полому виду, часто наблюдаемому в тканях мозга, пораженных болезнью Альцгеймера.

Примечательно, что исследователи увидели те же шаблоны в нейронах пауков. У здоровых пауков система глиальных каналов казалась целой и функциональной, с четкими структурами для удаления отходов. У старших или дегенерирующих пауков каналы становились неупорядоченными и расширялись, что приводило к коллапсу нейронов. Поскольку нейроны пауков больше и их легче изучать, исследователи смогли наблюдать эти изменения с гораздо большей детализацией.

Исследование поднимает вопросы о традиционном понимании миелинизации мозга. Миелин обычно рассматривается как вещество, которое изолирует аксон для помощи в передаче электрических сигналов. Но результаты предполагают, что некоторые миелизированные глиальные клетки могут служить для другой функции: удаления отходов.

И у пауков, и у млекопитающих эти глиальные клетки образовали длинные, тонкие каналы, проникающие в нейроны и извлекающие отходы. Этот процесс, похоже, зависел от аквапорина-4, белка, который облегчает движение воды через клеточные мембраны. Авторы предполагают, что водный "объемный поток" помогает перемещать мусор от нейронов в глиальные клетки, где его затем можно удалить через дренажные каналы.

Одно поразительное следствие исследования заключается в том, что эта система очистки мозга может быть эволюционно древней. Тот факт, что пауки и люди имеют такой похожий механизм, предполагает, что он был сохранен на протяжении сотен миллионов лет. Это может указывать на его важность для поддержания здоровой мозговой функции у разных видов. Но это также может указывать на общую уязвимость: если эта система разрушится, результатом может стать нейродегенерация.

"С момента публикации мы провели значительное исследование. Мы имеем еще одну статью на рассмотрении, которая показывает, чем на самом деле являются бляшки амилоид-бета - они не являются случайно неправильно свернутыми агрегатами белка, а резервуарами для заключения отходов в неработающей системе удаления отходов. Все наши находки подтверждают то, что мы предлагаем", - сказала Фабиан-Файн для PsyPost.

"Особенно в свете всех вскрытых мошенничеств в исследовании болезни Альцгеймера за последние десятилетия, я хотела бы, чтобы общественность знала: зная то, что знаю, я чрезвычайно оптимистична, что мы на верном пути и что сможем решить нейродегенерацию клинически в ближайшем будущем. Это вопрос финансирования и принятия, и я работаю над обоими. Как только вы увидите структуры, которые я показываю в своих статьях, вы не сможете их не заметить, и именно поэтому я надеюсь, что это будет принято скоро".

Исследователи предостерегают, что хотя их выводы убедительны, для подтверждения точных механизмов требуется больше исследований. Например, все еще не ясно, является ли наблюдаемое глиальное вздутие причиной или следствием накопления отходов. Также пока неизвестно, может ли повышение функции этих глиальных каналов помочь предотвратить или замедлить прогрессирование таких болезней, как болезнь Альцгеймера. Будущие исследования должны исследовать эти вопросы, желательно, изучая систему в живой мозговой ткани или животных моделях.

Фабиан-Файн и ее коллеги планируют продолжать исследовать структурные и молекулярные особенности данной глиальной канальной системы. Их цель - лучше понять белки и процессы, участвующие в этом, чтобы идентифицировать, что идет не так при болезни, и как это можно предотвратить. Они надеются, что, составив карту этой древней и игнорируемой системы, они смогут открыть новые пути лечения болезни Альцгеймера и других форм деменции.

"Нейродегенерация скорее всего необратима, и именно поэтому я работаю круглосуточно, чтобы продвигать это исследование и добиться принятия и клинических испытаний", - объяснила Фабиан-Файн. "Но даже если цели по препаратам, которые я выявила, окажутся эффективными в клинических испытаниях, это не исправит уже причиненный ущерб затронутым пациентам. Скорее всего, это замедлит или остановит прогрессирование. Поэтому время имеет решающее значение — чтобы мы могли добиться раннего и профилактического лечения до того, как будут нанесены повреждения".

"Мы работаем над описанием всей этой системы и важных белков и структур в этой системе. Нам нужна эта информация, чтобы понять, что идет не так при болезни и как это предотвратить. Я бы хотела, чтобы читатели и ученые были открыты к этому открытию. Рисунок 10 в нашей последней статье показывает, что как только вы разместите систему глиальных каналов (танецииты), вы можете объяснить клинические проявления мозга, пораженного болезнью Альцгеймера. Почему бы нам не исследовать это?"

Исследование "Миелинизированные глиальные клетки: их предполагаемая роль в удалении отходов и нейродегенерации в головном мозге арахнид и человека" было написано Рут Фабиан-Файн, Адамом Л. Уивером, Абигейл Г. Роман, Мелани Дж. Уинтерс и Джоном С. ДеУитом.