Вариант гена APOE4 может не только повышать вероятность развития болезни Альцгеймера, но и непосредственно запускать повреждение сосудов мозга и нарушать удаление потенциально опасных белков. К такому выводу пришли исследователи медицинской школы Айкана при системе здравоохранения Mount Sinai. О том, как APOE4 меняет клетки сосудистой системы, при чем здесь холестерин и можно ли обратить выявленные нарушения, — в материале «Известий».

Болезнь Альцгеймера представляет собой прогрессирующее нейродегенеративное заболевание, при котором постепенно ухудшаются память, мышление и способность человека выполнять повседневные задачи. Только в США с этим нарушением живут более 7 млн пожилых людей.

В мозге пациентов накапливаются патологические формы белков, в том числе бета-амилоида и тау-белка. Одновременно с этим повреждаются кровеносные сосуды и нарушается работа гематоэнцефалического барьера — системы, которая отделяет мозговую ткань от общего кровотока и защищает ее от потенциально вредных веществ.

Долгое время сосудистые нарушения рассматривались преимущественно как одно из поздних последствий заболевания. Однако результаты двух новых исследований указывают, что повреждение сосудов может быть не только результатом нейродегенерации, но и самостоятельным участником патологического процесса.

Особенно выраженными такие изменения оказались при наличии APOE4. Речь идет не об отдельном «гене болезни Альцгеймера», а об одном из вариантов гена APOE, который отвечает за создание аполипопротеина E и участвует в переносе липидов, включая холестерин.

Основными вариантами этого гена являются APOE2, APOE3 и APOE4. APOE3 встречается чаще всего, APOE2 в некоторых случаях связывают со сниженной вероятностью болезни Альцгеймера, а APOE4 считается наиболее значимым генетическим фактором риска ее поздней формы. По данным Национального института старения США, примерно у 25% людей есть одна копия APOE4, еще у 2–3% — две копии. При этом наличие такого варианта не означает, что заболевание обязательно разовьется.

В первой работе, опубликованной в журнале Cell, исследователи сосредоточились на сосудистой системе мозга. Они объединили ранее полученные данные и создали одноклеточный транскриптомный атлас — подробную карту активности генов в клетках, которые образуют и поддерживают мозговые сосуды.

Такой подход позволил сравнить состояние отдельных клеточных популяций и проследить, какие изменения связаны с APOE4. Одним из главных результатов стало обнаружение необычной трансформации перицитов.

Перициты расположены вдоль мелких сосудов и капилляров. Они поддерживают сосудистую стенку, участвуют в регулировании кровотока и помогают сохранять целостность гематоэнцефалического барьера. В нормальном состоянии эти клетки буквально охватывают сосуды и обеспечивают стабильность их структуры.

При APOE4 количество перицитов снижалось. Одновременно появлялась популяция миофибробластоподобных клеток, которые производили компоненты внеклеточного матрикса и были способны вызывать рубцевание ткани.

Ученые пришли к выводу, что перициты не просто исчезали: часть из них переходила в другое состояние и приобретала свойства миофибробластов. Вместо поддержки сосудов такие клетки начинали активно выделять фибронектин — белок внеклеточного матрикса, участвующий в формировании рубцовой ткани.

В результате вокруг сосудов развивался фиброз, а на их стенках и рядом с ними накапливался амилоид. Подобные изменения могут нарушать кровоснабжение мозга, ослаблять сосудистую систему и создавать дополнительные условия для гибели нервных клеток.

«Повреждение кровеносных сосудов мозга — не просто позднее последствие болезни Альцгеймера. Это биологически активный процесс, вызванный APOE4, который потенциально может быть обратимым», — заявил один из руководителей исследований, доцент кафедр нейробиологии, биологии стволовых клеток и регенеративной медицины медицинской школы Айкана при Mount Sinai Джоэл Бланшар.

По его словам, результаты работы указывают на новые возможные мишени для сохранения функций сосудов и ограничения накопления амилоида.

Одним из ключевых участников обнаруженного процесса оказался сигнальный путь TGF-β, или трансформирующего фактора роста бета. Эта система клеточной коммуникации регулирует восстановление и перестройку тканей, реакцию клеток на повреждение и образование компонентов внеклеточного матрикса.

Повышенная активность TGF-β подталкивала перициты к переходу в миофибробластоподобное состояние. Иными словами, клетки, которые должны были поддерживать сосудистую стенку, начинали участвовать в ее рубцевании.

Исследователи проверили, можно ли остановить этот процесс. После блокирования сигналов TGF-β количество перицитов вокруг сосудов восстанавливалось, а выраженность фиброза и накопление сосудистого амилоида снижались до уровней, сопоставимых с показателями при варианте APOE3.

Этот результат удалось воспроизвести не только в созданной в лаборатории человеческой ткани, но и у старых мышей с APOE4. По мнению авторов, это свидетельствует о том, что связанные с APOE4 сосудистые нарушения по крайней мере на определенной стадии могут быть обратимыми.

Первый автор исследования Бракстон Шульдт пояснил, что ученым удалось заблокировать процесс, при котором поддерживающие сосуды клетки превращались в клетки, производящие рубцовую ткань. Это сократило накопление амилоида вокруг сосудов и позволило обозначить возможное направление защиты кровообращения мозга у людей с высоким генетическим риском.

Однако блокирование TGF-β пока исследовали только на доклинических моделях. Этот сигнальный путь участвует во множестве процессов во всем организме, поэтому его подавление у человека может иметь последствия, которых лабораторная модель не воспроизводит. До начала клинического применения необходимо определить, насколько избирательно можно воздействовать на этот механизм и будет ли такое вмешательство безопасным.

Во втором исследовании, опубликованном в Cell Stem Cell, ученые использовали miBrains, чтобы изучить другой связанный с APOE4 механизм — накопление альфа-синуклеина. Этот белок присутствует в нервной системе и в нормальных условиях участвует в работе нейронов. Его патологические формы способны слипаться и образовывать внутриклеточные включения. Наиболее тесно такие нарушения связаны с болезнью Паркинсона и деменцией с тельцами Леви, однако изменения альфа-синуклеина могут встречаться и при других нейродегенеративных заболеваниях.

В моделях с APOE4 уровень патологического альфа-синуклеина оказался выше, чем в моделях с APOE3. Серия экспериментов показала, что центральную роль в этом процессе играют астроциты — вспомогательные клетки нервной системы, которые поддерживают нейроны, регулируют обмен веществ и участвуют в удалении клеточных отходов.

APOE4 приводил к избыточному накоплению холестерина внутри астроцитов. Из-за этого нарушалась работа эндолизосомальной системы — комплекса внутриклеточных структур, отвечающих за сортировку, переработку и уничтожение ненужных молекул.

Лизосомы можно условно назвать системой утилизации клетки. Они расщепляют поврежденные компоненты и белки, которые больше не должны оставаться внутри клетки. Когда избыток холестерина нарушал работу этой системы, астроциты теряли способность полноценно перерабатывать растворимый альфа-синуклеин.

Белок накапливался, приобретал патологические свойства, а затем способствовал образованию включений в нейронах. Одноклеточное секвенирование также выявило связанные с этим изменения активности генов в разных популяциях клеток.

Таким образом, исследователи восстановили еще одну цепочку нарушений: APOE4 вызывал накопление холестерина в астроцитах, избыток липидов повреждал систему клеточной утилизации, а снижение способности расщеплять альфа-синуклеин способствовало его патологическому распространению. Полученные данные указывают сразу на две потенциальные терапевтические мишени — обмен и перемещение холестерина внутри астроцитов, а также восстановление функции лизосом.

Результаты исследования не означают, что обнаруженный механизм можно остановить исключительно диетой или снижением уровня холестерина в крови. Ученые изучали нарушения распределения и переработки липидов внутри определенного типа клеток мозга.

Холестерин необходим нервной системе: он участвует в создании клеточных мембран, образовании миелина и передаче сигналов между клетками. Проблемой в данном случае стало не само присутствие этого вещества, а его патологическое накопление внутри астроцитов и вызванное им нарушение работы лизосом.

Работа также не доказывает, что APOE4 обязательно приводит к болезни Альцгеймера, Паркинсона или деменции с тельцами Леви. Этот вариант повышает риск, но не является ни единственной причиной заболевания, ни самостоятельным диагнозом. Значение имеют возраст, другие генетические особенности, состояние сосудистой системы и внешние факторы.

Еще одним результатом стала возможность замораживать miBrains с заранее заданным набором клеток и факторов риска. После размораживания такие образцы можно применять в последующих экспериментах.

Первый автор работы в Cell Stem Cell, доцент кафедр нейробиологии, биологии стволовых клеток и регенеративной медицины медицинской школы Айкана при Mount Sinai Луиза Мезентье-Лоуро отметила, что криоконсервация повышает воспроизводимость экспериментов и позволяет масштабировать моделирование сложных заболеваний.

Это особенно важно для испытаний лекарственных соединений. Если модели одной серии можно хранить и использовать в разное время, исследователи получают возможность сравнивать препараты в более контролируемых условиях и проверять результаты в независимых экспериментах.

Команда Mount Sinai также создает и замораживает miBrains из клеток конкретных пациентов. В перспективе такие модели могут помочь изучать индивидуальные механизмы развития заболевания и заранее оценивать реакцию клеток определенного человека на экспериментальные препараты.

По словам Бланшара, возможность испытывать потенциальные методы лечения на раннем этапе может сократить разрыв между лабораторными открытиями и разработкой терапии нейродегенеративных нарушений.

Две работы показывают, что влияние APOE4 не ограничивается одним патологическим белком или одним типом клеток. Этот вариант одновременно затрагивает сосудистую поддержку мозга, формирование внеклеточного матрикса, обмен холестерина и систему удаления белковых отходов.

В первом случае мишенью может стать переход перицитов в миофибробластоподобное состояние под действием TGF-β. Во втором — накопление холестерина в астроцитах и вызванное им нарушение лизосомальной функции.

Особое значение имеет то, что часть изменений удалось ослабить. После блокирования TGF-β восстанавливалось покрытие сосудов перицитами и уменьшались фиброз и накопление амилоида. Это позволяет рассматривать сосудистую систему не только как пострадавшую сторону, но и как потенциальную точку терапевтического вмешательства.

Вместе с тем исследования не были клиническими испытаниями. Ученые работали с лабораторными моделями человеческой ткани, посмертными образцами и мышами. Неизвестно, окажутся ли выявленные механизмы столь же обратимыми в мозге живого человека, на какой стадии заболевания вмешательство может быть эффективным и удастся ли воздействовать на нужные клетки без нарушения других функций организма.

Поэтому открытие пока не дает готового метода лечения. Его основная ценность заключается в более точном понимании того, как генетический риск преобразуется в конкретные клеточные повреждения, и в появлении мишеней, которые теперь можно последовательно проверять при разработке препаратов.