Общим признаком болезни Альцгеймера является чрезмерное накопление в мозге двух типов белков: клубков белков тау, которые накапливаются внутри клеток, и белков амилоида-β, образующих бляшки вне клеток. Исследователи не знают, как эти белковые отложения связаны с другим основным признаком болезни: гибелью нейронов в мозге.

Исследование ученых из Широкого института Массачусетского технологического института и Гарварда, опубликованное сегодня в журнале Nature Neuroscience, намекает на некоторые ответы на этот вопрос. Команда использовала новый метод, разработанный ими для выявления того, как клетки мозга, расположенные вблизи этих белков, изменяются по мере прогрессирования болезни в мышиной модели болезни Альцгеймера. Метод, названный STARmap PLUS, является первым, позволяющим одновременно картировать экспрессию генов отдельных клеток и их расположение, а также пространственное распределение конкретных белков в неповрежденных образцах тканей.

Исследователи использовали свой подход для изучения тканей мозга мышиной модели болезни Альцгеймера на двух различных стадиях заболевания и с высоким пространственным разрешением. На более ранней стадии они наблюдали центральное ядро амилоидной бляшки, окруженное типом иммунных клеток мозга под названием микроглия, которые, как известно, играют определенную роль в развитии болезни Альцгеймера. Микроглия, которая находилась ближе к бляшкам, показала генетические сигнатуры, которые были связаны с нейродегенерацией.

Ученые также обнаружили внешние оболочки двух других типов клеток мозга, которые появились позже в ходе болезни. Эта структура "ядро-оболочка" и различия в экспрессии генов клеток, окружающих белки, дают ученым более четкое представление о том, как клетки реагируют на белковые отложения в мозге, что в один прекрасный день может помочь ученым оценить существующие методы лечения болезни Альцгеймера и разработать новые.

"На основе таких исследований можно сделать вывод о происходящем гораздо более детально, чем если бы вы просто рассматривали клетки из разрозненных образцов тканей, которые не имеют своего пространственного контекста", - говорит Морган Шенг, соавтор исследования, член основного института и содиректор Центра психиатрических исследований Стэнли в Брод и профессор неврологии Массачусетского технологического института. "Это новое измерение транскриптомики, и я думаю, что оно будет иметь большое значение".

Исследование основывается на предыдущей версии метода под названием STARmap, разработанной Сяо Вангом, который является соавтором исследования, членом основного института и стипендиатом Меркина в Бродском университете, а также профессором химии в Массачусетском технологическом институте.

"Это захватывающее усовершенствование STARmap, потому что теперь мы можем картировать весь транскриптомом вместе с белками в тех же срезах тканей, а многие заболевания связаны с изменениями в локализации белков и посттранскрипционными модификациями", - говорит Ванг.

Проект также осуществляется в сотрудничестве с учеными Genentech и возглавляется соавторами из Центра Стэнли: Ху Цзэн, постдокторант, Цзяхао Хуан, аспирант, и Хаовэнь Чжоу, приглашенный исследователь.

Для анализа образцов тканей с помощью STARmap PLUS команда Ванга использовала молекулярные зонды для обнаружения определенных мРНК и их амплификации в виде последовательностей ДНК. Они также использовали антитела для маркировки и идентификации конкретных белков. Затем они химически обработали ткань, чтобы закрепить ДНК и белки в их родных позициях в геле. Наконец, с помощью секвенирования in situ и визуализации была создана трехмерная карта меченых белков, а также экспрессии более чем 2700 генов.

Ученые обнаружили, что такие процессы, как воспалительная реакция мозга и дифференциация глиальных клеток, таких как микроглия, связаны с развитием болезни. Хотя другие исследователи ранее наблюдали структуру "ядро-оболочка" вокруг бляшки, новые данные экспрессии генов показали, что микроглия была более "активирована", чтобы вызвать воспалительную реакцию ближе к бляшке. По словам ученых, это означает, что микроглия, скорее всего, активируется вблизи бляшек, возможно, привлекая другие клетки для формирования внешней оболочки, окружающей бляшки, а не активируется вдали от них, а затем перемещается ближе. Понимание того, когда, где и как активируются микроглии, может стать важной частью расшифровки их роли в болезни.

Ванг говорит, что ключевым преимуществом STARmap PLUS является то, что он собирает информацию об экспрессии белков и генов из одного образца, что облегчает выравнивание и сравнение различных видов данных с высоким разрешением. Он также может обнаруживать особенности, меньшие, чем клетки, что помогает различать отдельные клетки даже при их плотном скоплении в мозге. STARmap PLUS также масштабируется и может быть адаптирован для картирования других белков или даже всего транскриптома.

Исследователи говорят, что следующим важным шагом будет использование этого подхода для изучения прогрессирования болезни Альцгеймера в образцах тканей человеческого мозга. Это поможет определить, в какой степени клеточные изменения, происходящие в мышиных моделях, отражают процессы, происходящие у пациентов с болезнью Альцгеймера.

На животных моделях ученые также смогут использовать этот подход, чтобы ответить на вопросы о новых стратегиях лечения. Например, если антитела способны достичь бляшек и очистить их, возвращаются ли близлежащие микроглии в свое неактивированное состояние и удаляются ли они от бляшек? Предотвращает ли уничтожение бляшек или инактивация микроглии близлежащую нейродегенерацию?

STARmap PLUS также может помочь исследователям в изучении других заболеваний, таких как рак, например, узнать больше о том, как иммунные клетки атакуют опухоли. Метод также может внести вклад в исследования шизофрении и других расстройств мозга.

"Существуют мышиные модели психиатрии, где, как мы знаем из других исследований, в разных частях мозга происходит множество различных вещей", - сказал Шенг. "Будет просто великолепно, если мы сможем увидеть все это одним махом".