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Ricercatori del MIT hanno eseguito la prima analisi completa dei geni che sono espressi nelle singole cellule cerebrali dei pazienti con morbo di Alzheimer (MA). I risultati hanno consentito al team di identificare i percorsi cellulari specifici che sono interessati dai neuroni e da altri tipi di cellule cerebrali.

Questa analisi potrebbe offrire molti potenziali nuovi bersagli farmacologici per il MA, che affligge oltre 5 milioni di persone negli Stati Uniti.

"Questo studio fornisce, a mio avviso, la prima mappa per seguire tutti i processi molecolari che sono alterati nel MA, in ogni singolo tipo di cellula che ora possiamo caratterizzare in modo affidabile", dice Manolis Kellis, professore di informatica e membro del MIT's Computer Science e Artificial Intelligence Laboratory e del Broad Institute of MIT and Harvard. "Si apre un'era completamente nuova per comprendere il MA".

Lo studio ha rivelato che un processo chiamato 'mielinizzazione dell'assone' è significativamente interrotto nei pazienti con MA. I ricercatori hanno anche scoperto che le cellule cerebrali di uomini e donne variano in modo significativo nel modo in cui i loro geni rispondono alla malattia.

Kellis e Li-Huei Tsai, direttrice del Picower Institute for Learning and Memory del MIT, sono gli autori senior dello studio, che appare nell'edizione online del 1° maggio di Nature. I postdottorato del MIT Hansruedi Mathys e Jose Davila-Velderrain sono i primi autori della ricerca.

Analisi a cella singola

I ricercatori hanno analizzato campioni di cervelli postmortem di 24 persone che hanno mostrato alti livelli di patologia di MA e 24 persone di età simile che non avevano questi segni di malattia. Tutti i soggetti facevano parte del Religious Orders Study, uno studio longitudinale sull'invecchiamento e il MA. I ricercatori avevano anche dati sulle prestazioni dei soggetti sui test cognitivi.

Il team del MIT ha effettuato il sequenziamento dell'RNA monocellulare su circa 80.000 cellule di questi soggetti. Precedenti studi sull'espressione genica nei pazienti con MA avevano misurato i livelli complessivi di RNA in una sezione di tessuto cerebrale, ma questi studi non distinguono tra tipi di cellule, che possono mascherare i cambiamenti che si verificano in tipi di cellule meno abbondanti, dice la Tsai.

"Volevamo conoscere la possibilità di capire se ogni tipo di cellula ha modelli di espressione genica differenziale tra tessuto cerebrale sano e malato", dice la Tsai. "Questo è il potere dell'analisi a livello di singola cellula: hai la risoluzione per vedere veramente le differenze tra tutti i diversi tipi di cellule nel cervello".

Usando l'approccio di sequenziamento a cella singola, i ricercatori sono riusciti ad analizzare non solo i tipi di cellule più abbondanti, che includono i neuroni eccitatori e inibitori, ma anche le cellule cerebrali non neuronali più rare come gli oligodendrociti, gli astrociti e la microglia. I ricercatori hanno scoperto che ciascuno di questi tipi di cellule mostra differenze di espressione genica distinte nei pazienti con MA.

Alcuni dei cambiamenti più significativi sono nei geni relativi alla rigenerazione degli assoni e alla mielinizzazione. La mielina è una guaina grassa che isola gli assoni, aiutandoli a trasmettere segnali elettrici. I ricercatori hanno scoperto che negli individui con MA, i geni correlati alla mielinizzazione sono influenzati sia nei neuroni che negli oligodendrociti, le cellule che producono la mielina.

La maggior parte di questi cambiamenti specifici del tipo di cellula nell'espressione genica avvengono all'inizio dello sviluppo della malattia. Negli stadi successivi, i ricercatori hanno scoperto che la maggior parte dei tipi di cellule ha modelli molto simili di variazione dell'espressione genica. Nello specifico, la maggior parte delle cellule cerebrali ha rivelato geni correlati alla risposta allo stress, alla morte cellulare programmata e al meccanismo cellulare necessario per mantenere l'integrità proteica.

Bruce Yankner, professore di genetica e neurologia alla Harvard Medical School, non coinvolto nella ricerca, ha descritto lo studio come "un tour de force di patologia molecolare": "Questa è la prima applicazione completa della tecnologia di sequenziamento dell'RNA a singola cellula al MA. Prevedo che questa sarà una risorsa molto preziosa per il campo e farà progredire la nostra comprensione delle basi molecolari della malattia".

Differenze di sesso

I ricercatori hanno anche scoperto correlazioni tra i modelli di espressione genica e altre misure della gravità del MA, come il livello delle placche amiloidi e dei grovigli neurofibrillari, così come i deficit cognitivi. Ciò ha permesso loro di identificare dei 'moduli' di geni che sembrano essere collegati a diversi aspetti della malattia.

"Per identificare questi moduli, abbiamo ideato una nuova strategia che prevede l'uso di una rete neurale artificiale e che ci ha permesso di capire i set di geni che sono collegati ai diversi aspetti del MA in modo completamente imparziale, basato sui dati", dice Mathys. "Prevediamo che questa strategia sarà preziosa per identificare anche i moduli genici associati ad altri disturbi del cervello".

La scoperta più sorprendente, dicono i ricercatori, è la drammatica differenza tra le cellule cerebrali dei pazienti di MA maschi e femmine. Hanno scoperto che i neuroni eccitatori e le altre cellule cerebrali di pazienti maschi hanno variazioni di espressione genica meno pronunciate nel MA rispetto alle cellule di donne, anche se questi pazienti mostravano sintomi simili, comprese le placche amiloidi e il deterioramento cognitivo.

Al contrario, le cellule cerebrali di pazienti di sesso femminile hanno mostrato cambiamenti di espressione genica drammaticamente più gravi nel MA e una serie più ampia di percorsi alterati. "In quel momento ci siamo resi conto che c'è qualcosa di molto interessante in atto. Siamo rimasti scioccati", dice la Tsai.

Finora, non è chiaro il motivo di questa discrepanza. La differenza sessuale era particolarmente marcata negli oligodendrociti, che producono mielina, quindi i ricercatori hanno eseguito un'analisi della sostanza bianca dei pazienti, che è composta principalmente da assoni mielinizzati. Usando un set di risonanze magnetiche su 500 soggetti aggiuntivi del gruppo Religious Orders Study, i ricercatori hanno scoperto che i soggetti femminili con gravi deficit di memoria avevano molti più danni alla sostanza bianca rispetto ai soggetti maschi corrispondenti.

Sono necessari ulteriori studi per determinare perché uomini e donne rispondono in modo così diverso al MA, dicono i ricercatori, e le scoperte potrebbero avere implicazioni per lo sviluppo e la scelta dei trattamenti.

"C'è una crescente evidenza clinica e preclinica di un dimorfismo sessuale nella predisposizione al MA, ma non sono noti i meccanismi sottostanti. Il nostro lavoro punta i processi cellulari differenziali che coinvolgono cellule mielinizzanti non neuronali per il loro ruolo potenziale. Sarà fondamentale per capire se queste discrepanze proteggono o danneggiano le cellule cerebrali solo in uno dei sessi - e come bilanciare la risposta nella direzione desiderata dall'altra", dice Davila-Velderrain.

I ricercatori stanno ora usando modelli di cellule staminali pluripotenti indotte da topi e umani per studiare ulteriormente alcuni dei principali percorsi cellulari che hanno identificato come associati al MA in questo studio, compresi quelli coinvolti nella mielinizzazione. Hanno anche in programma di eseguire analoghi esami di espressione genica per altre forme di demenza che sono legate al MA, così come altri disturbi cerebrali come la schizofrenia, il disturbo bipolare, la psicosi e varie altre forme di demenza.