Ricerche

Trapiantando neuroni umani nel cervello di topi, uno studio ha scoperto interazioni che causano la malattia tra la proteina ApoE4 e le cellule immunitarie chiamate microglia.

Sunto grafico dello studio Rao et al su Cell Stem Cell.

Nel cervello sano, le cellule immunitarie chiamate microglia sono sempre di pattuglia per rilevare danni ed eliminare detriti e proteine ​​dannose. Ma in presenza della proteina ApoE4 - il più importante fattore di rischio genetico del morbo di Alzheimer (MA) - le stesse cellule causano infiammazione dannosa e ciuffi di proteine ​​mal ripiegate, secondo un nuovo studio eseguito agli Istituti Gladstone (Università della California di San Francisco).

Il team ha creato un nuovo modello di ricerca per studiare il MA, che ha comportato il trapianto di neuroni umani che generano la proteina ApoE4 nel cervello dei topi. Quando hanno rimosso le microglia dal cervello, hanno scoperto che la proteina ApoE4 non ha più innescato così tanti depositi di amiloide o tau, due tipi di proteine ​​mal ripiegate specifiche del MA.

"Lo studio sottolinea l'importanza delle microglia nel MA, di concerto con l'ApoE4 prodotto dai neuroni umani", afferma l'autore senior Yadong Huang MD/PhD, che ha supervisionato il nuovo studio pubblicato su Cell Stem Cell. "I nostri risultati suggeriscono che i farmaci che riducono le microglia potrebbero essere utili nel trattamento della malattia".

Un modello simil-umano

Esistono tre forme principali di proteina ApoE nell'uomo: rispetto alla versione più comune della proteina - ApoE3 - l'ApoE4 aumenta il rischio di MA e l'ApoE2 lo riduce. Circa un americano su 4 ha almeno una copia del gene ApoE4 e circa il 3% ne ha 2 copie, rendendo quegli individui particolarmente suscettibili alla malattia.

"Le persone con due copie del gene ApoE4 hanno un rischio 12 volte maggiore di sviluppare il MA rispetto a quelle con ApoE3", afferma Huang, che è anche direttore del Center for Translational Advancement dei Gladstone e professore nei dipartimenti di neurologia e patologia alla UC San Francisco.

Per studiare l'interazione complessa tra varianti di ApoE e cellule cerebrali, Huang e il suo team si sono affidati da tempo a topi modello, proprio come fanno molti altri gruppi di ricerca. Tuttavia, imitare il cervello umano in un topo è difficile; aggiungere geni umani dell'ApoE4 ai topi, come si fa spesso, non coglie completamente il modo in cui le cellule cerebrali umane si comportano nel MA.

Nel nuovo studio, il team di Huang ha sviluppato un topo modello  'chimerico' che non solo è portatore dei geni ApoE umani, ma contiene anche neuroni umani che sono trapiantati nel cervello. È importante sottolineare che i neuroni vengono trapiantati dopo che il cervello è maturato, consentendo ai ricercatori di imitare il MA ad esordio tardivo. Tentativi precedenti di progettare topi modello che esprimono le caratteristiche del MA ad esordio tardivo non hanno avuto successo usando solo la proteina ApoE4, senza neuroni umani trapiantati.

"Questo modello ci ha dato un modo molto più realistico di studiare come i neuroni umani portatori del gene ApoE4 contribuiscono al MA nel cervello vivente degli anziani", afferma Antara Rao, dottoranda del laboratorio di Huang che ha guidato gli esperimenti per il nuovo studio.

Huang e i suoi colleghi sapevano già che l'ApoE4 causa l'aumento delle placche amiloidi e dei grovigli tau nel cervello umano. Nel nuovo modello chimerico, i ricercatori hanno confermato che la presenza di neuroni ApoE4 umani porta ad alti livelli di depositi di amiloide e tau, come nei topi invecchiati. Hanno anche dimostrato che i neuroni ApoE3 umani portano a livelli moderati degli aggregati, e quelli privi del tutto del gene ApoE causano un numero minore di aggregati di tau e depositi amiloidi sparsi piuttosto che di aggregati densi e dannosi.

"Si scopre che modellare in modo più accurato il MA ad esordio tardivo richiede neuroni umani, piuttosto che neuroni di topo, producendo ApoE4 nel cervello del topo", afferma Huang.

Effetto protettivo della riduzione delle microglia

Il gruppo di Huang in precedenza aveva scoperto che i neuroni di topo che producono ApoE4 umani rilasciano segnali molecolari che attivano le microglia. Questa volta, hanno usato il nuovo modello di topo per sondare in modo più dettagliato la connessione tra microglia e neuroni umani che producono ApoE4. I ricercatori hanno usato un farmaco per rimuovere selettivamente le microglia dal cervello dei topi chimerici. 

Nei topi con neuroni ApoE4 umani, hanno scoperto che i livelli di aggregati di amiloide e tau erano significativamente ridotti, segno che ApoE4 e microglia lavorano insieme per guidare gli attributi chiave del MA. Il team si è quindi rivolto al sequenziamento dell'RNA a cella singola, una tecnica potente che studia l'attività genica nelle singole cellule, per determinare quali geni si attivavano ​​nelle microglia di ciascun topo modello.

Hanno scoperto che, in presenza di neuroni umani contenenti ApoE4 e ApoE3, aumentavano i livelli di molecole infiammatorie nelle microglia. Le microglia con le firme molecolari più infiammatorie costituivano il 30% di tutte le microglia nei topi con neuroni ApoE4 umani, il 20% di tutte le microglia nei topi con neuroni ApoE3 umani e solo l'8% di tutte le microglia nei topi che avevano neuroni umani privi del gene ApoE.

"Insieme, questi risultati suggeriscono che le microglia vengono attivate dall'ApoE4 prodotto dal neurone umano e, a loro volta, potenzialmente aiutano a formare gli aggregati proteici mal ripiegati che vediamo nel MA", afferma Rao.

Percorso verso nuovi trattamenti

I risultati offrono ai ricercatori nuove informazioni per capire come le microglia vanno male nel MA, quando virano dallo stato normalmente protettivo a uno dannoso in presenza di ApoE4 prodotto dai neuroni umani. Lo studio suggerisce anche che i farmaci che possono ridurre i livelli di ApoE4 nei neuroni o puntare le microglia, riducendo il numero di esse o il loro livello di attività infiammatoria, potrebbero essere una strategia per rallentare o prevenire la progressione del MA nelle persone con il gene ApoE4.

Tuttavia, sono necessarie altre ricerche per mostrare se queste strategie potenziali sarebbero efficaci nell'uomo, quali sarebbero gli effetti collaterali di puntare l'ApoE4 neuronale o le microglia e i tempi di tale trattamento. I ricercatori sperano anche di usare il loro nuovo topo chimerico per studiare i ruoli di altri tipi di cellule nel MA.

"Il nostro nuovo topo modello, insieme a questi risultati iniziali, offre un percorso per comprendere meglio il MA, specialmente nel contesto dell'ApoE4 e sviluppare nuovi farmaci che potrebbero trattarlo", afferma Huang.