Izhodišča in namen raziskave

Alzheimerjevo bolezen (AB) pogosto razumemo kot enotno bolezensko stanje, ki skozi kopičenje beta-amiloidnih plakov in nevrofibrilranih pentelj vodi v nepovratno izgubo živčnih celic in umskih sposobnosti. Čedalje več raziskovalnih izsledkov kaže, da zgodba še zdaleč ni tako preprosta, saj niso vpleteni zgolj nevroni, temveč tudi druge možganske celice, bolezenski procesi pa presegajo zgolj kopičenje spremenjenih beljakovin ter vključujejo tudi spremembe v celični presnovi maščob in vnetnem odzivu. Raziskave, ki se pri opredeljevanju udeleženih celičnih tipov ter preučevanju molekularnih procesov v ozadju AB opirajo na posmrtno odvzete vzorce možganskega tkiva, največkrat primerjajo bolnike z močno napredovalo AB in kontrolne preiskovance. To zmanjšuje njihov uvid v začetne spremembe celičnega delovanja in ne zajame raznolikosti bolezenskih procesov in klinične slike.

Avtorji povzete raziskave so zato vanjo vključili relativno številčno kohorto preiskovancev, ki je bila dokaj raznolika tudi po zastopanosti različnih faz AB, zdravih preiskovancev in tistih s kognitivnim upadom iz drugih vzrokov. Iz posmrtno odvzetih vzorcev možganske skorje preiskovancev so oblikovali celični atlas, v katerem so na podlagi stopnje izražanja genov opredelili tipe in podtipe celic ter molekularne procese v njih. Z matematičnimi modeli ter algoritemskim modelom obdelave podatkov, imenovanim BEYOND, so nato opredelili dve ločeni tirnici kaskad celičnih procesov  – eno v smeri razvoja AB in drugo v smeri “alternativnega staranja možganov” – in predlagali zaporedje molekularnih dogodkov v nekaterih podtipih mikroglije in astrocitov, ki bi lahko pomembno prispevalo k pojavu AB in omogočalo razvoj učinkovit(ejš)ega zdravljenja.

Metodološke značilnosti in rezultati

Raziskovalci so v analizo zajeli dve kohorti preiskovancev iz Raziskave verskih redov (angl. Religious Orders Study) ter Projekta “Rush” o spominu in staranju (angl. Rush Memory and Aging Project). Raziskava in Projekt sta raziskovalcem omogočala vpogled v letno oceno nevrološkega in duševnega zdravja preiskovancev za časa njihovega življenja ter enotno histopatološko opredelitev bolezenskih sprememb v njihovih možganih, odvzetih po smrti. Ob vključitvi v Raziskavo oziroma Projekt preiskovanci niso imeli demence.

Prva kohorta je štela 465 preiskovancev, njihova povprečna starost ob smrti pa je znašala 89,1 let. Več kot dve tretjini vzorca (67,3 %) so predstavljale ženske. Kohorta je vključevala preiskovance s končno klinično diagnozo blage kognitivne motnje (26 %), AB (36,3 %) ali demence iz drugega vzroka, posameznike brez kognitivnega upada in preiskovance s histopatološko (posmrtno) diagnozo možne, verjetne ali gotove AB (skupaj 62,4 %) oziroma odsotnosti AB. Iz tkivnih vzorcev njihovega dorzolateralnega čelnega režnja možganske skorje z zadostnim številom celičnih jeder (n = 437 preiskovancev) so raziskovalci izolirali skupno 1.649.672 kakovostnih transkriptomov iz vseh vrst možganskih celic, ki so jih glede na vrsto in stopnjo izraženih genov lahko nadalje razvrstili (npr. 16 podtipov mikroglije, 10 podtipov astrocitov, 12 podtipov oligodendrocitov ter po 16 podtipov ekscitatornih in inhibitornih nevronov).

Raziskovalci so na temelju kliničnih podatkov, zbranih za časa življenja preiskovancev, histopatološke opredelitve prisotnosti oziroma stopnje AB ter rezultatov transkriptomske analize opredelili celične (pod)tipe in molekularne procese, udeležene pri različnih stopnjah AB. Med drugim so ugotovili, da so bili določeni podtipi mikroglije, ki so v večji meri izražali gene, vpletene v presnovo maščob, bolj zastopani pri posameznikih z višjo stopnjo kopičenja amiloida beta in nevrofibrilarnih pentelj, eden izmed teh podtipov pa je bil tudi bolj zastopan pri posameznikih s hujšim kognitivnim upadom. Večje breme bolezensko spremenjene beljakovine tau in hitrejši kognitivni upad sta bila povezana tudi z večjim deležem podtipov astrocitov in oligodendrocitov, ki so izražali beljakovine, povezane z oksidativnim stresom. V gruči inihibitornih nevronov je pri enem podtipu ob naraščajočem bremenu bolezensko spremenjene beljakovine tau prišlo do upada, pri drugem pa do porasta, kar se sklada s predhodnimi izsledki in verjetno izkazuje različno raven ranljivosti posameznih vrst živčnih celic. Svoje ugotovitve so preverili na tkivnih rezinah možganske skorje druge, validacijske kohorte 673 preiskovancev, prav tako vključenih v Raziskavo verskih redov in Projekt “Rush” o spominu in staranju, ter prišli do primerljivih zaključkov.

Te rezultate so nato vnesli v matematične modele, s katerimi so iz povezanosti (pod)tipov celic s kopičenjem beta-amiloidnih plakov, nevrofibrilarnih pentelj in prisotnostjo kognitivnega upada poskušali opredeliti prispevek posameznih (pod)tipov  celic (in zaznanih molekularnih procesov v njih) k verjetnemu zaporedju dogodkov v ozadju AB. Pri tem so upoštevali trenutno prevladujočo teorijo, da kopičenje beta-amiloida vodi v nastanek bolezenskih skupkov beljakovine tau in posledično v kognitivni upad. Statistično najustreznejši model je vključeval dva podtipa mikroglije, Mic.12 in Mic.13, ter podtipa astrocitov (Ast.10) in oligodendrocitov (Oli.7), in izkazal ponovljive rezultate tudi ob uporabi na drugi, validacijski kohorti.

Raziskovalci so z zbranimi podatki nazadnje poskušali nasloviti še vprašanje raznolikosti kliničnega poteka oziroma pojava AB pri sicer relativno primerljivih starejših posameznikih. Zagato, ki izhaja iz dejstva, da so razpolagali s presečnimi podatki, saj so bili tkivni vzorci zbrani po smrti preiskovancev (zaradi česar raziskovalci niso imeli uvida v dolgoročni potek molekularnih procesov v možganih vsakega posameznika), so obšli z algoritemskim modelom obdelave podatkov, ki so mu nadeli ime BEYOND. Slednji prepozna skupne značilnosti v obsežnem naboru transkriptomov, v katerem vsak posamezni preiskovanec predstavlja eno podatkovno točko, in iz njih ustvari verjetno zaporedje sprememb celičnih procesov. Nato preveri, ali so spremembe povezane z odkloni, značilnimi za AB, in ustrezne spremembe pripiše stopnjam AB. Nazadnje ovrednoti podobnosti med molekularnimi spremembami v različnih celičnih (pod)tipih in oblikuje skupine, ki si delijo skupne značilnosti. Raziskovalci so s pomočjo BEYOND opredelili dve ključni tirnici, ki odražata različne molekularno-transkriptomske spremembe in stanja raznovrstnih celičnih (pod)tipov. Ena je bila močno povezana z razvojem AB (tj. naraščajočim bremenom amiloida beta in bolezenske oblike beljakovine tau v možganski skorji ter napredujočim kognitivnim upadom), drugi pa so nadeli ime “alternativno staranje možganov”, saj so jo tvorili posamezniki z zmernim (in nespremenljivim) amiloidnim bremenom, minimalnim ali odsotnim bremenom tau in počasnejšim kognitivnim upadom, ki je bil lahko izražen v različnih merah. Rezultati uporabe BEYOND med kohortama so bili primerljivi.

Predlagano (četudi za potrebe povzetka poenostavljeno) zaporedje dogodkov, ki izhaja iz izsledkov, je naslednje: v tirnici, povezani s pojavom AB, delež celičnih (pod)tipov, udeleženih pri vzdrževanju homeostaze, že zgodaj upade in poraste delež podtipa mikroglije Mic.12, na njihovo zastopanost pa vpliva tudi starost. Ti z odzivi na oksidativni stres in zagonom vnetja prispevajo h kopičenju beta-amiloida, kar prek podtipa mikroglije Mic.13 (na katerega vpliva tudi prisotnost alela APOE ε4, ki je znan dejavnik tveganja za pojav AB) prispeva h kopičenju bolezensko spremenjene beljakovine tau. Slednje je s kognitivnim upadom povezano bolj kot kopičenje beta-amiloida. Kognitivnemu upadu verjetno botrujejo procesi, povezani z odzivanjem na oksidativni stres, v astrocitnem podtipu Ast.10, oligodendrocitnem podtipu Oli.7 in nekaterih drugih celičnih podtipih, ki so, sodeč po matematičnih modelih, lahko tudi neodvisni od kopičenja tau.

Zaključki

Avtorji med prednostmi svoje raziskave izpostavljajo velik vzorec in  izsledek o dveh ločenih tirnicah, ki izkazujeta (in po njihovem mnenju v veliki meri tudi pojasnjujeta) razlike v možganskem staranju in pojavnosti AB med preiskovanci. Poudarjajo, da odsotnost ločevanja med preiskovanci v eni in drugi tirnici verjetno zmanjša izkazano učinkovitost razvijajočih se pristopov za zdravljenje za AB, saj pri preiskovancih v tirnici “alternativnega možganskega staranja” zaradi razlik v celičnih procesih, ki so podstat kognitivnega upada, verjetno učinkujejo slabše. Opisane vloge posameznih celičnih (pod)tipov ponujajo izhodišča za razvoj pristopov, ki bolje od obstoječih naslavljajo mehanizme v ozadju AB. Kljub spodbudnim izsledkom pa ima raziskava tudi nekatere pomanjkljivosti, saj izbrana metoda za analizo transkriptoma zajame zgolj izražanje genov (tj. prepis DNK v RNK in posredno tudi nastanek beljakovin, ki jih RNK kodira), ne pa tudi sprememb beljakovin, do katerih pride kasneje in ki lahko pomembno vplivajo na njihovo delovanje. Čeprav večino bolnikov z AB v svetovnem merilu predstavljajo ženske, raziskava ni preverjala vpliva spola na opisane celične in molekularne procese. Pomembno omejitev pa predstavlja tudi nepojasnjeno neskladje med predpostavko o zaporedju  “kopičenje beta-amiloida, kopičenje bolezenske oblike tau, kognitivni upad” pri uporabljenih matematičnih modelih in ugotovitvijo, da je povečano amiloidno breme (čeravno ne narašča) prisotno tudi pri tirnici “alternativnega možganskega staranja”, kar omenjeno zaporedje postavlja pod vprašaj.

Povzela: Lana Blinc, dr. med.