חוקרים חושפים פגיעות ברורות של תאים בהתקדמות של אלצהיימר עם גישה מולטיומיקה חדשה

מדענים חושפים כיצד תאי מוח שונים תורמים להתקדמות אלצהיימר, פותחים תובנות חדשות לפיתוח טיפולים מותאמים אישית ושיפור הדיוק של האבחון על פני שלבי המחלה.

מחקר: אטלס תאים מולטי-מודאלי משולב של מחלת אלצהיימר. קרדיט תמונה: illustrissima / Shutterstock

במחקר שפורסם לאחרונה בכתב העת מדעי המוח בטבע, חוקרים שילבו רצף RNA חד-גרעיני (snRNA-seq), גנומיקה מרחבית, בדיקת גרעין בודד לכרומטין נגיש לטרנספוזאז עם רצף (snATAC-seq), מולטי-אומיקה ואטלסים ייחוס קיימים כדי להעריך את השינויים המולקולריים והתאיים באמצע gyrus (MTG) על פני הספקטרום של התקדמות מחלת אלצהיימר (AD).

בנוסף, הם השתמשו בנוירופתולוגיה כמותית בשילוב עם מודל למידת מכונה כדי לגבש ציון פסאודו-התקדמות ספציפי למטופל (CPS), מדד רציף שמסדר תורמים לאורך רצף נוירופתולוגי.

ממצאי המחקר חשפו נוכחות של שני שלבי מחלה עיקריים ברורים (מוקדמים/איטיים ומאוחרים/מעריכיים), כל אחד עם פיזיולוגיה ייחודית של התא.

תת-קבוצה קטנה של תורמים במחקר הציגה גם שלב מחלה 'סופני' שלישי המאופיין בפתולוגיה חמורה יותר.

יש לציין כי המאמר מספק מסגרת לשילוב קווי ראיות מבלבלים בעבר, המאפשר אימות צולב של תצפיות מחלת אלצהיימר בין מחקרים, ובכך להגביר את החוסן והעקביות של ממצאי המחקר על פני חקירות מנותקות לכאורה.

רֶקַע

מחלת אלצהיימר (AD) היא הפרעה נוירולוגית המאופיינת בהצטברות מתקדמת של רובדי עמילואיד בטא (Aβ) ו-Tau hyperphosphorylated (pTau) במערכות המוח, גזע המוח והלימבית. התוצאה היא הצטמקות תאי המוח, אובדן קשרים עצביים, ואפילו התדרדרות ומוות של תאים, מה שמוביל לאובדן זיכרון ויכולות תפקוד שגרתיות.

AD הוא סיכון עולמי לבריאות הציבור, המוערך כיום משפיע על יותר מ-55 מיליון חולים ובני משפחותיהם. באופן מדאיג, תחזיות אפידמיולוגיות מצפות ששכיחות AD תגדל ל-78 מיליון עד 2030 ול-139 מיליון עד 2050, מה שהופך אותה למחלה הנוירולוגית הצומחת הכי מהר בעולם של היום.

AD הוא קשר הסיכון המוביל לדמנציה, ודוחה עוד יותר את מחקר מדעי המוח שמטרתו לקבוע את גורמי הסיכון, המנגנונים הפתופיזיולוגיים וחומרת המחלה.

שינויים במורפולוגיה של התא ובפיזיולוגיה במהלך התקדמות AD אופיינו בהרחבה, וכתוצאה מכך נוצרו 'ציונים מצטברים' (למשל, Braak, CERAD, Thal ו-ADNC) כדי לתאר את חומרת ADNC.

למרבה הצער, מחקרים קונבנציונליים מתארים באופן שגרתי שינויים ספציפיים למיקום המוח, אך אינם מצליחים לציין את השינויים הפגיעים והקשורים למחלה הספציפיים לסוג תאים הנלווים להתקדמות AD.

ההתקדמות האחרונה בטכנולוגיות הגנומיקה המרחבית והחד-תאית, לצד האימוץ הנרחב של ניתוחי מולטיומיקה, הולידו "אטלסים של תאי מוח" – התייחסויות מפורטות, ברזולוציה גבוהה, בפיזיולוגיה של תאים רחבי מוח של מאפיינים תאיים על פני גנומיקה, תעתיקים ו גישות נתוני רצף תיקונים.

אלה מספקים בסיס ידע סטנדרטי של סוגי תאי מוח הקשורים ל- AD ודמנציה, ומגבירים באופן משמעותי את ההבנה שלנו לגבי התהליכים העומדים בבסיס הסיכון והחומרה של AD.

בפרט, גישות אלו מאפשרות מיפוי של שינויים תאיים לאטלסים של התייחסות מוח מאוצרים במיוחד, ומשפרות את ההבנה שלנו לגבי סוגי התאים הפגיעים ביותר בשלבים המוקדמים והמאוחרים של המחלה.

לגבי המחקר

המחקר הנוכחי משלב גישות ברזולוציה גבוהה של גרעין בודד ומולטיומי עם מודלים של מחלות זמניות בהשראת נוירופתולוגיה כמותית, ובכך מדגיש את שלל סוגי התאים הייחודיים ואת השינויים שהם חווים עם התקדמות AD. הוא מתמקד בגירוס הזמני האמצעי (MTG), אזור המוח הקשור לאחזור סמנטי ועיבוד שפה.

הוא מדגיש את המאפיינים והמיקום של התא ואת השינויים המורפולוגיים או הביטוי הגנים המתרחשים בשלבים שונים של AD.

מאחר ששלבי AD הוגדרו בצורה גרועה (תלוי בציונים מצטברים קונבנציונליים), המחקר הנוכחי משתמש בנוירופתולוגיה כמותית בשילוב עם אימונוהיסטוכימיה (IHC) ומודלים של מסקנות בייסיאניות כדי לזהות שלבי התקדמות AD בדידים.

נתוני המחקר התקבלו מ-84 תורמות שלאחר המוות (51 נשים, גילאי – 65 עד 102) משני מחקרים עצמאיים (אוניברסיטת וושינגטון ADRC ומחקר ACT Study של Kaiser Permanente Washington Health Research Institute) המאוחדים במאגר הנתונים של UW BioRepository and Integrated Neuropathology (BRaIN).

המשתתפים נבדקו כך שיכללו את אלה שעברו 'פרוצדורה מהירה מדויקת' – מתודולוגיה סטנדרטית של איסוף ושימור רקמות אופטימליות – תוך אי הכללה של אלו עם היסטוריה של הפרעות ניווניות מבלבלות.

הליכים ניסויים כללו אימונוהיסטוכימיה (IHC; יחיד ודופלקס) לניתוחים נוירופתולוגיים כמותיים. תוצאות IHC שימשו במסגרת היסק בייסיאני לחישוב ציון פסאודו-התקדמות מתמשך (CPS), מדידה אובייקטיבית המסדרת את המשתתפים במחקר לאורך רצף נוירופתולוגי של התקדמות AD.

בידוד תאי גרעין בודד התקבל מאזורי קליפת המוח MTG באמצעות קריו-דיסקציות, ציטומטריית זרימה וספריות snRNA-seq שנבנו מגרעינים אלה. קריאות גנומיות הושוו לאטלסים התייחסות באמצעות פלטפורמות כמו ChromA, מתן פתרון חסר תקדים על פגיעויות ספציפיות לסוג תא. תמלול מרחבי (פלטפורמת MERSCOPE) ונתוני תיקונים (זמינים לציבור) השלימו את מערך הנתונים, ואיפשרו אימות של ה-CPS והערכת המאפיינים האלקטרו-פיזיולוגיים של סוגי תאים שונים על פני שלבי AD משתנים.

ממצאי המחקר

המחקר הנוכחי מעדכן את BRAIN Initiative Cell Census Network (BICCN) עם מידע חדש על תאים ספציפיים ל-MTG ושלבי מחלה.

מדד ה-CPS הכמותי הנוירו-פתולוגי המחושב כאן הדגים נוכחות של שני תקופות טיפוסיות (התקדמות מוקדמת/איטית והתקדמות מאוחרת/מעריכית) בהתקדמות AD. תת-קבוצה נדירה של חולים מבוגרים הדגימה עוד תקופה "סופנית" שלישית.

"בעידן המוקדם, לתורמים היו לוחות Aβ דלים (אם כי גדלים בגודלם) ו-pTau⁺ נוירונים נושאי סבך, מלווים בעלייה מוקדמת במצבי מיקרוגליה ואסטרוציטים דלקתיים או תגובתיים ושינויים נלווים בביטוי גנים בגנים רלוונטיים של דלקת ופלאק. בתקופה המאוחרת יותר, יש עלייה אקספוננציאלית בפתולוגיה של Aβ ו-pTau, עלייה מתמשכת במצבי מיקרוגליה ואסטרוציטים דלקתיים, וירידה בביטוי הן של תוכנית ההתמיינות של OPC והן של ביטוי אוליגודנדרוציטים של חלבונים הקשורים למיאלין (אופיינה בעבר באמצעות כמותיות). PCR)."

המחקר זיהה מספר סוגי תאים פגיעים, כולל נוירונים מעוררים בשכבה 2/3 (L2/3 IT), נוירונים מעכבי סומטוסטטין (Sst) ואוליגודנדרוציטים. תאים אלה הראו פגיעות מוקדמת, בעוד שסוגים אחרים כמו Pvalb+ אינטרנוירונים ירדו מאוחר יותר בהתקדמות המחלה.

נצפו אשדים נרחבים, מוסתרים בעבר של הפעלה ועירור ספציפיים לסוג תא, מה שמצביע על כך שהפעלה של מיקרוגליה בשלבי AD מוקדמים (בדרגת חומרה נמוכה) מעוררת אובדן של אסטרוציטים, אוליגודנדרוציטים ונוירונים קורטיקוקורטיקליים (L2/3 IT), בתורם תורמים לאובדן חוסר תפקוד קוגניטיבי.

בנוסף, תעתיק מרחבי אישרה את המתאם בין אוכלוסיות תאים פגיעות ספציפיות לבין חומרת AD, במיוחד בשכבות על-גרעיניות של הקורטקס.

תצפיות אלו היו החזקות ביותר במשתתפים שהפגינו את הירידה הקוגניטיבית הקיצונית ביותר בשלב מאוחר יותר, מה שמרמז על בסיס ביולוגי. ניתוחי CPS זיהו עוד תת-סוגים נוירונים ולא-נוירונים בסיכון מוגבר ל-AD ודמנציה (n=58).

והכי חשוב, העבודה הנוכחית מספקת פלטפורמה ומתודולוגיות המאפשרות אינטגרציה, השוואות ישירות והערות סטנדרטיות (מצבי תאים וסוגים), ובכך לשפר את העקביות והחוסן של מחקר AD עתידי.

מסקנות

המחקר הנוכחי משתמש במספר טכניקות נוירופתולוגיות מתקדמות, כולל גנומיקת גרעין חד-תא, מולטיומיקה וניתוחים נוירופתולוגיים כמותיים, כדי לחשוף שינויים בסוגי תאי MTG בודדים על פני שלבים שונים של התקדמות AD. הוא מזהה תקופות נפרדות של התקדמות AD ואת השינויים הפיזיולוגיים הנלווים לשלבים אלה.

המחקר גם מדגיש תת-סוגים נוירונים פגיעים ספציפיים, כגון נוירוני Sst ו-L2/3 IT, ואת תפקידם הקריטי בירידה קוגניטיבית הקשורה ל-AD. זה מגלה קשרי סיכון גנטיים, דמוגרפיים והתנהגותיים, שעלולים להחמיר את חומרת AD.

והכי חשוב, העבודה הנוכחית מספקת מסד נתונים והצעות סטנדרטיזציה לשיפור מחקר AD עתידי.