Работая с тканями мыши и человека, исследователи Johns Hopkins Medicine сообщают о новых доказательствах того, что белок выкачивается из некоторых, но не из всех популяций "помощник" клетки головного мозга, называемые астроцитами, играют особую роль в формировании связей между нейронами, необходимых для обучения и формирования новых воспоминаний.
Используя мышей, созданных с помощью генной инженерии и выведенных с меньшим количеством таких соединений, исследователи провели экспериментальные эксперименты, которые показали, что они могут доставлять корректирующие белки с помощью наночастиц, чтобы заменить недостающий белок, необходимый для "дорожный ремонт" на неисправной нейронной магистрали.
Поскольку такие соединительные сети теряются или повреждаются нейродегенеративными заболеваниями, такими как болезнь Альцгеймера, или некоторыми видами умственной отсталости, такими как болезнь Норри, исследователи говорят, что их результаты продвигают усилия по восстановлению и восстановлению сетей и потенциально восстановлению нормальной функции мозга.
Результаты описаны в майском выпуске журнала Nature Neuroscience.
"Мы изучаем фундаментальную биологию того, как функционируют астроциты, но, возможно, открыли новую мишень для лечения нейродегенеративных заболеваний с помощью новых терапевтических средств," говорит Джеффри Ротштейн, M.D., Ph.D., Джон W. Гриффин, директор Института исследований мозга и профессор неврологии Медицинской школы Университета Джона Хопкинса.
"Хотя все астроциты в головном мозге кажутся одинаковыми, у нас было подозрение, что они могут выполнять особые роли в мозге из-за региональных различий в функциях мозга и из-за наблюдаемых изменений при определенных заболеваниях," говорит Ротштейн. "Есть надежда, что обучение использованию индивидуальных различий в этих разных популяциях астроцитов может позволить нам управлять развитием мозга или даже обращать вспять эффекты определенных состояний мозга, и наши текущие исследования подтвердили эту надежду."
В головном мозге астроциты являются опорными клетками, которые действуют как проводники, направляющие новые клетки, способствуют передаче химических сигналов и очищают побочные продукты метаболизма клеток мозга.
Команда Ротштейна сосредоточилась на конкретном белке астроцитов, переносчике глутамата-1, который, как показали предыдущие исследования, был утерян из астроцитов в определенных частях мозга при нейродегенеративных заболеваниях. Как биологический пылесос, белок обычно всасывает химические вещества "посыльный" глутамат из промежутков между нейронами после того, как сообщение отправлено в другую клетку, шаг, необходимый для прекращения передачи и предотвращения накопления токсичных уровней глутамата.
Когда эти переносчики глутамата исчезают из определенных частей мозга, таких как моторная кора и спинной мозг у людей с боковым амиотрофическим склерозом (БАС), глутамат остается слишком долго, посылая сообщения, которые перевозбуждают и убивают клетки.
Чтобы выяснить, как мозг решает, каким клеткам нужны переносчики глутамата, Ротштейн и его коллеги сосредоточились на области ДНК перед геном, который обычно управляет переключателем, необходимым для производства белка. Они генетически модифицировали мышей, чтобы они светились красным светом в каждой клетке, где активирован ген.
Обычно транспортер глутамата включен во всех астроцитах. Но при использовании от 1000 до 7000-битных сегментов кода ДНК от выключателя для глутамата все клетки мозга светились красным, включая нейроны. Только когда исследователи опробовали самую большую последовательность 8300-битного кода ДНК из этого места, исследователи начали замечать выделение в эритроцитах. Все эти эритроциты были астроцитами, но только в определенных слоях коры головного мозга мышей.
Потому что они могли идентифицировать эти "8.3 красных астроцита," исследователи думали, что у них может быть особая функция, отличная от других астроцитов в головном мозге. Чтобы узнать точнее, что это за 8.3 красных астроцита присутствуют в мозге, исследователи использовали машину для сортировки клеток, чтобы отделить красные астроциты от неокрашенных в корковой ткани мозга мышей, а затем определили, какие гены были включены на гораздо более высокие, чем обычно уровни, в красном цвете по сравнению с неокрашенные популяции клеток. Исследователи обнаружили, что 8.3 красных астроцита активируют высокий уровень гена, который кодирует другой белок, известный как норрин.
Команда Ротштейна взяла нейроны из мозга нормальных мышей, обработала их норрином и обнаружила, что в этих нейронах растет больше "ветви"- или расширения – используются для передачи химических сообщений между клетками мозга. Затем, по словам Ротштейна, исследователи изучили мозг мышей, в которых отсутствует норрин, и обнаружили, что у этих нейронов меньше ветвей, чем у здоровых мышей, у которых норрин был развит.
В другом наборе экспериментов группа исследователей взяла код ДНК Норрина плюс 8 300 "место нахождения" ДНК и собрал их в доставляемые наночастицы. Когда они ввели наночастицы норрина в мозг мышей, созданных без норрина, нейроны у этих мышей начали быстро вырастать намного больше ветвей, что предполагает восстановление нейронных сетей. Они повторили эти эксперименты и с человеческими нейронами.
Ротштейн отмечает, что мутации в белке Норрин, которые снижают уровень этого белка у людей, вызывают болезнь Норри – редкое генетическое заболевание, которое может привести к слепоте в младенчестве и умственной отсталости. Поскольку исследователи смогли создать новые ветви для общения, они считают, что однажды можно будет использовать Норрин для лечения некоторых типов умственной отсталости, таких как болезнь Норри.
В своих следующих шагах исследователи изучают, может ли Норрин восстанавливать связи в мозге животных моделей с нейродегенеративными заболеваниями, и, готовясь к потенциальному успеху, Миллер и Ротштейн подали патент на Норрин.