גלה כיצד שעוני הזדקנות מרחביים מתקדמים מפענחים את המוח המזדקן, חושפים את התפקידים הכפולים של תאי חיסון ותאי גזע בעיצוב מחדש של ההבנה שלנו לגבי ירידה קוגניטיבית והתחדשות.
מחקר: שעונים תעתיקים מרחביים חושפים השפעות של קרבת תאים בהזדקנות המוח. קרדיט תמונה: VectorMine / Shutterstock
במחקר שפורסם לאחרונה בכתב העת טֶבַעחוקרים פיתחו שעוני הזדקנות מרחביים תוך שימוש ב-transcriptomics של תא בודד כדי לחקור אינטראקציות ספציפיות לסוג תא והשפעתם על הזדקנות המוח, התחדשות ומחלות.
רֶקַע
הזדקנות המוח מגבירה באופן משמעותי את הסיכון למחלות ניווניות עצביות כמו אלצהיימר (מחלת מוח מתקדמת הגורמת לאובדן זיכרון) ודמנציה (ירידה ביכולות הקוגניטיביות). בעוד מחקרים קודמים חקרו שינויים מולקולריים במוח המזדקן ברזולוציה של תא בודד, מחקרים אלה חסרים הקשר מרחבי, במיוחד בקנה מידה. ללא הבנה שיטתית של שינויים מרחבי-זמניים, כולל שכונות תאים מקומיות ואינטראקציות תא-תאים, תובנות חיוניות מתפספסות. מחקרים מרחביים בעלי תפוקה גבוהה מראים הבטחה לקידום הבנה זו, אך מחקרים נוכחיים אינם מצליחים ללכוד ברזולוציה מרחבית וזמנית כאחד ברמת התא הבודד, במיוחד בגילאים גריאטרים שבהם הירידה הקוגניטיבית היא הבולטת ביותר. מחקר זה מטפל בפערים הללו על ידי הצגת שעוני הזדקנות מרחביים, המציעים מסגרת חישובית חדשה לניבוי הזדקנות ספציפית לתא ולחקור השפעות קרבת תאים. דרוש מחקר נוסף כדי לפתח כלים חישוביים מתקדמים לניתוח אינטראקציות מרחביות אלו.
על המחקר
במחקר הנוכחי, עכברי C57BL/6JN זכרים שימשו לעקובות ההזדקנות והפעילות הגופנית, בעוד ש-OSKM זכר לכל הגוף (POU class 5 homeobox 1 (Oct4), SRY (אזור קובע מין Y)-box 2 (Sox2), עכברים דמויי קרופל פקטור 4 (Klf4), ו-Myelocytomatosis oncogene (c-Myc)) שימשו עבור החלקים ניסוי תכנות מחדש. עכברים שוכנו בקבוצות בתנאים סטנדרטיים, עם לפחות שלושה שבועות של התאקלמות לפני הניסויים. קבוצות ההזדקנות כללו עכברים בגילאים משתנים, שנעו בין 3 ל-34 חודשים, עם קטעי מוח קורונאליים וסגיטליים שנאספו לצורך ניתוח טראנסקריפטומי. ניסוי הפעילות הגופנית כלל עכברים בישיבה ופעילות גופנית צעירים ומבוגרים, בעוד שבניסוי התכנות מחדש החלקי נעשה שימוש בעכברי OSKM צעירים ומבוגרים עם טיפול בדוקסיצילין. כל ההליכים בעלי החיים אושרו על ידי הוועדה המוסדית לטיפול ושימוש בבעלי חיים של אוניברסיטת סטנפורד (IACUC) והוועדה לענייני ותיקים בפאלו אלטו לחקר בעלי חיים.
לצורך איסוף דגימות, עכברים הורדמו, והמוח הוקפא במהירות בתרכובת טמפרטורת חיתוך אופטימלית (OCT). נתוני רצף חומצה ריבונוקלאית (RNA) הושגו באמצעות פלטפורמת Multiplexed Error-Robust Fluorescence In Situ Hybridization (MERFISH) עם פאנל מותאם אישית של 300 גנים. הפאנל כלל סמנים לסוגי תאים שונים וגנים הקשורים להזדקנות. קטעי מוח עובדו עבור MERFISH עם חדירת רקמות, הכלאה והדמיה לפי פרוטוקול Vizgen. לאחר איסוף התמונות, בוצעו פילוח תאים והקצאת תמלול באמצעות Cellpose. הנתונים עובדו מראש על ידי סינון תאים באיכות נמוכה, והוחל נורמליזציה של ביטוי גנים.
מודלים של למידת מכונה אומנו על הנתונים התעתיקים עבור שעוני הזדקנות מרחביים כדי לחזות גיל בהתבסס על דפוסי ביטוי גנים מרחביים. השפעות הקרבה של תאי T ותאי גזע עצביים על תאים שכנים נותחו על ידי השוואת שינויים טרנסקריפטומיים בתאים קרובים ומרוחקים. ניתוחים סטטיסטיים כללו קורלציה של פירסון ומבחן U-Mann-Witney, כאשר הדמיה בוצעה באמצעות כלים שונים.
תוצאות המחקר
אטלס תעתיק מרחבי של מוח העכבר המזדקן נוצר כדי למפות ביטוי גנים לאורך כל תוחלת החיים. מערך הנתונים הקיף 2.3 מיליון תאים באיכות גבוהה מאזורי מוח שונים, המתפרשים על פני גילאים בין 3.4 ל-34.5 חודשים. שיטת MERFISH זיהתה 18 סוגי תאים, כולל נוירונים, תאי גליה ותאי חיסון, והראתה כיצד תאים אלו התמקמו באזורים שלהם.
המחקר חשף שינויים משמעותיים בפרופורציות התאים עם הגיל. לדוגמה, תאי מיקרוגליה ו-T עלו עם הגיל, בעוד שתאי גזע עצביים (NSCs) ותאי אבות אוליגודנדרוציטים (OPCs) ירדו. תאי T הראו עלייה משמעותית במספרים בכל האזורים, בעוד ש-NSCs נמצאו בעיקר בנישה הנוירוגנית וירדו עם הזמן. שינויים אלה היו עקביים בכל חלקי המוח העטרה והסגיטליים. יש לציין כי תאי T הפעילו השפעה פרו-הזדקנות על תאים סמוכים, ולעתים קרובות הפיצו את השפעתם על פני טווחים מרחביים ארוכים יותר מאשר NSCs, אשר הראו השפעות פרו-התחדשות מקומיות.
בנוסף לשינויים בהרכב התא, ביטוי הגנים השתנה גם עם הגיל. לדוגמה, מיקרוגליה הראתה את המספר הגדול ביותר של שינויים בגנים הקשורים לגיל, במיוחד במסלולי תגובה חיסונית. המחקר זיהה גם דפוסים ספציפיים של שינויי ביטוי גנים באזורי מוח שונים, כאשר אזורי החומר הלבן מציגים את השינויים הגדולים ביותר. הממצאים מדגישים גנים הקשורים למערכת החיסון הגדלים עם הגיל במיקרוגליה, בניגוד לגנים מטבוליים והתפתחותיים, שהראו ירידות הקשורות לגיל.
כדי להמשיך ולחקור את הדינמיקה של ההזדקנות, החוקרים פיתחו "שעוני הזדקנות מרחביים" כדי לחזות את הגיל הביולוגי של תאים בודדים בהתבסס על ביטוי גנים. שיטה זו חזתה במדויק את גיל התא על פני אזורי מוח וסוגי תאים שונים, כולל נדירים כמו NSCs ותאי T. השעונים התכללו ביעילות בין המינים, מערכי נתונים ואפילו טכנולוגיות תא בודדות אחרות, והדגישו את חוסנם.
ההשפעות של התערבויות התחדשות נחקרו גם באמצעות שעוני ההזדקנות המרחביים. פעילות גופנית מרצון ותכנות מחדש חלקי נבדקו על השפעתם על הזדקנות המוח. פעילות גופנית הראתה השפעות התחדשות חזקות, במיוחד על כלי הדם במוח, בעוד שלתכנות מחדש חלקי היו השפעות צנועות יותר, בעיקר התחדשות NSCs ונוירובלסטים. לפעילות גופנית הייתה השפעה רחבה יותר, והצערה סוגי תאים מרובים באזורי מוח, בעוד שתכנות מחדש חלקי הועיל בעיקר ל-NSCs ולנוירובלסטים עם השפעות מוגבלות לאזור ספציפי. לבסוף, המחקר בדק כיצד תאים ספציפיים משפיעים על ההזדקנות של תאים סמוכים, ומצא כי לתאי T יש אפקט פרו-הזדקנות, בעוד של-NSC יש השפעה פרו-התחדשות על תאים שכנים.
מסקנות
מחקר זה מציע פרופיל מרחבי-זמני ברזולוציה גבוהה של מוח העכבר המזדקן, עוקב אחר ביטוי גנים על פני אזורים וסוגי תאים. על ידי יצירת שעוני הזדקנות מרחביים, הוא מכמת את ההשפעות של התערבויות התחדשות ומודלים של מחלות. שעונים אלו מאפשרים הערכה מהירה של תהליכי הזדקנות ותהליכים זמניים ברזולוציה של תא בודד. חשוב לציין, המחקר מדגים שתאי T ו-NSC ממלאים תפקידים קריטיים בוויסות תהליך ההזדקנות, ומשפיעים על שכניהם באמצעות השפעות לטווח ארוך וקצר. ניתן להתאים את מסגרת למידת המכונה לרקמות ומינים אחרים. המחקר גם בוחן השפעות של קרבת תאים, זיהוי מתווכים פוטנציאליים.
