Дослідники виявили нові потенційні мішені ліків для нейродегенеративних захворювань, провівши детальні електричні та білкові вимірювання окремих клітин мозку. Центри контролю та профілактики захворювань США повідомляють, що приблизно 5,8 мільйона американців страждають на хворобу Альцгеймера, переважаючий тип деменції. Зараз не існує ліків проти хвороби Альцгеймера, головним чином через неповні знання про її причини. Проте нещодавнє дослідження, проведене Scripps Research, дає нові знання про молекулярні фактори, які можуть впливати на прогресування хвороби Альцгеймера.
У дослідженні, нещодавно опублікованому в журналі Advanced Science, дослідники використали нову техніку для вивчення окремих живих клітин мозку, уражених хворобою Альцгеймера. Вимірюючи електричну активність окремих нейронів і рівень білка в цих нейронах, вчені виявили нові молекули, пов’язані з хворобою Альцгеймера. Сподіваємося, що на ці молекули в майбутньому можна буде націлити ліки для лікування або уповільнення прогресування нейродегенеративного захворювання.
Тісна співпраця між професорами Scripps Research, включаючи клінічного невролога Стюарта Ліптона, доктора медичних наук, доктора філософії, експерта з білків Джона Єйтса, доктора філософії, і біоінформатика Ніколаса Шорка, доктора філософії (який також є заступником директора та видатним професором кількісної медицини в Translational Genomics Науково-дослідний інститут (TGen) дозволив вченим розробити цю біотехнологію.
Значення методики дослідження
«Мене приголомшило, що ми можемо взяти одну клітину, виміряти її електричну активність на рівні однієї мільйонної однієї мільйонної ампера, а потім поглянути на тисячі білків у тій самій клітині, щоб ми могли знайти білки, які керують аномальною електричною активністю, пов’язаною з хворобою Альцгеймера», – каже старший автор Ліптон, який також є професором Step Family Foundation та співдиректором Центру нових ліків проти нейродегенерації при Scripps Research. «Але принадність цього методу полягає в тому, що він дозволяє нам виявити нові мішені для хвороби Альцгеймера та пов’язаних з нею деменцій».
Попередні дослідження Ліптона та інших показали, що певні нейрони стають надмірно активними в мозку людей з хворобою Альцгеймера, надсилаючи електричні сигнали, які є сильнішими або частіше, ніж зазвичай. Докази свідчать про те, що така надмірна активність (також відома як гіперзбудливість) сприяє погіршенню когнітивних функцій, пов’язаному з хворобою Альцгеймера.
У новій роботі Ліптон і його колеги розробили систему, за допомогою якої вчені можуть проводити точні вимірювання окремих клітин мозку, а потім порівнювати клітини, уражені хворобою Альцгеймера, зі здоровими клітинами. Група Ліптона, яка раніше розробила методи точного вимірювання електричної активності нейронів, об’єдналася з Єйтсом для використання мас-спектрометрії для визначення рівнів понад 2250 білків у кожній нервовій клітині. Мас-спектрометрія може ідентифікувати та кількісно визначити білки з клітин, але ці аналізи традиційно проводяться на масових колекціях клітин. Останні досягнення дозволяють проводити вимірювання на рівні однієї клітини.
Досягнення в одноклітинному аналізі
У новій системі, відомій як single cell (sc)Patch-Clamp/Proteomics, крихітна скляна трубка, наповнена розчином солі, використовується як електрод для вимірювання електричної активності клітини, а потім витягується клітина для дослідження білка за допомогою мас-спектрометрія.
«Цей підхід дозволяє нам пов’язувати збурення електричних функцій із молекулярними подіями в нейронах, що є захоплюючим застосуванням протеоміки», — говорить Єйтс.
Вчені проаналізували електричні схеми та рівні білка приблизно 150 нейронів, а потім використали обчислювальні інструменти, застосовані Шорком, щоб знайти зв’язок між гіперзбудливістю та аномальним рівнем білка. Вони точно виявили майже 50 білків, які були присутні на вищих або нижчих рівнях у гіперзбудливих клітинах Альцгеймера порівняно зі здоровими клітинами.
«Деякі з цих білків уже були відомі як пов’язані з хворобою Альцгеймера, але багато з них ні», — каже Ліптон.
Білки брали участь у багатьох різноманітних функціях нейронів, включаючи контроль електронів у вільних радикалах (редокс-модулятори), енергетичний обмін і запалення. П’ятнадцять білків виділялися як такі, що мають особливо високі або низькі рівні в нейронах хвороби Альцгеймера, і група Ліптона планує подальші дослідження деяких із цих молекул.
Він також планує розширити використання scPatch-Clamp/Proteomics для скринінгу ліків — перевірки того, чи потенційні ліки проти хвороби Альцгеймера виправляють як гіперзбудливість нейронів, так і аномальний рівень білка. Він співвідносить ці висновки з експериментами на більших групах клітин мозку, отриманих від пацієнтів з хворобою Альцгеймера, відомих як церебральні органоїди, або «міні-мозки».
«Одна клітинка не завжди розповідає всю історію», — пояснює Ліптон. «Деякі дисфункції при хворобі Альцгеймера пов’язані з тим, як клітини взаємодіють одна з одною, тому, якщо ми зможемо повторити таке дослідження в органоїді міні-мозку, ми можемо зробити додаткові відкриття».
Ліптон зазначає, що цей метод можна застосувати для пошуку ліків для інших захворювань, пов’язаних з мозком.
«Цей новий підхід до персоналізованої медицини, заснований на експресії білка та електричній активності одного нейрона хвороби Альцгеймера, міг би революціонізувати відкриття ліків не лише для цієї хвороби, але й для інших неврологічних захворювань, які значно відстають від інших терапевтичних областей», – додає він.