Как изменяются клетки мозга с возрастом и что с этим делать?

Человеческий мозг — удивительный и сложный орган, благодаря которому мы можем думать, чувствовать, творить и познавать мир. Но, к сожалению, с возрастом его работа постепенно ухудшается: получаемая извне информация забывается, нам труднее концентрироваться, да и новые знания усваиваются уже не так легко.

Группа учёных из Алленовского института (США) изучила, как меняются отдельные клетки с возрастом. Результаты их исследования, опубликованные в престижном научном журнале Nature, помогают понять старение мозга.

Путешествие в микромир мозга: как это было?

Современные технологии позволяют исследователям совершить «путешествие» в микромир мозга. Однако человеческий мозг в этом эксперименте не пострадал, а вся доля пасть под нож ради науки опять выпала на лабораторных крыс.

Для изучения старения мозга грызунов учёные использовали два передовых метода:

• Транскриптомный анализ единичных клеток (scRNA-seq): Этот метод позволяет определить, какие гены активны в каждой отдельной клетке. В рамках этого исследования было проанализировано около 1.2 миллиона клеток из разных отделов мозга молодых и старых мышей.

• Пространственная транскриптомика: Учёные использовали этот метод, чтобы подтвердить результаты scRNA-seq и понять, где именно в мозге находятся клетки с изменённой активностью генов. Например, в этом исследовании использовали технологию Molecular Cartography platform (Resolve Biosciences).

Благодаря этим методам учёные смогли увидеть, что старение — это не просто общий упадок сил, а сложный процесс, который затрагивает разные типы клеток мозга по-разному.

Клетки-стражи мозга: кто они и почему так важны?

Особое внимание исследователей привлекли клетки, расположенные в области третьего желудочка гипоталамуса. Для простоты понимания, почему был интересен именно этот участок мозга, представьте гипоталамус как центр управления полётами, который координирует работу всего организма. А третий желудочек — это канал связи, через который этот центр управления получает информацию и отдаёт приказы. Так вот, клетки, выстилающие этот канал, играют ключевую роль в поддержании связи.

Среди них есть танициты — клетки, которые «стоят на страже» и контролируют, какие вещества из крови и спинномозговой жидкости могут попасть в гипоталамус. Танициты регулируют транспорт гормонов, питательных веществ и других молекул, участвуют в нейрогенезе (образовании новых нервных клеток) и ангиогенезе (образовании новых сосудов), а также реагируют на воспаление.

Исследование показало, что у старых мышей в таницитах происходят изменения, которые могут нарушать эту барьерную функцию. Например, в них повышается экспрессия гена Csmd1, который связан с развитием болезни Паркинсона и нарушениями в иммунной системе.

Другие важные клетки — эпендимальные. Они выстилают все желудочки мозга и обеспечивают циркуляцию спинномозговой жидкости. Учёные обнаружили, что у старых мышей в этих клетках снижается экспрессия гена Ccnd2, который необходим для нормального деления клеток, а значит, и для обновления клеточного состава. Также в них было обнаружено множество других изменений, указывающих на воспаление и ухудшение работы.

И, наконец, в области третьего желудочка находятся нейроны, которые вырабатывают гормоны и нейропептиды. Они регулируют наше пищевое поведение, уровень стресса, сон и бодрствование, а также многие другие важные функции. Например, нейроны, экспрессирующие AgRP и NPY, стимулируют аппетит, а нейроны, экспрессирующие POMC, наоборот, подавляют его. Другие нейроны в этой области вырабатывают гормон CRH, который играет ключевую роль в реакции на стресс, или лептин, регулирующий чувство насыщения.

Исследователи обнаружили, что именно в этих клетках, окружающих третий желудочек, происходят наиболее значительные изменения при старении. Так, изменения в экспрессии генов Grm8, Grik1, Gabra5 в нейронах, контролирующих аппетит, могут приводить к возрастным изменениям в пищевом поведении.

Гены и молекулярные пути при старении

Как мы уже говорили, учёные обнаружили, что с возрастом активность многих генов меняется. Причём в разных типах клеток эти изменения могут быть разными.

Вот некоторые важные гены, затронутые при старении:

Ген/Белок	Тип клеток	Изменение экспрессии	Функция	Связь с возрастными заболеваниями
Csmd1	Танициты	Повышение	Участвует в регуляции иммунного ответа, компонент системы комплемента	Болезнь Паркинсона, нарушения в работе иммунитета
Ccnd2	Эпендимальные клетки	Понижение	Регуляция клеточного цикла, деление клеток	Уменьшение образования новых клеток, нейродегенеративные заболевания
Grm8, Grik1, Gabra5	Нейроны (в т.ч. контролирующие аппетит)	Понижение	Передача нервных импульсов, синаптическая пластичность	Нарушения когнитивных функций, изменения в пищевом поведении
H2-K1, H2-D1	Разные типы клеток	Повышение	Компоненты главного комплекса гистосовместимости (MHC) класса I, участвуют в презентации антигенов иммунным клеткам	Хроническое воспаление, нейродегенеративные заболевания
Ifi27, Ifit1, Ifit3	Разные типы клеток	Повышение	Участвуют в противовирусном иммунном ответе	Хроническое воспаление, нейродегенеративные заболевания
Коллагены	Перициты, СМС, VLMC	Понижение	Структурные компоненты внеклеточного матрикса	Нарушение структуры сосудов, ухудшение кровоснабжения мозга
Dhcr24, Hmgcs1, Idil	MOLs	Понижение	Ферменты, участвующие в синтезе холестерина и других липидов	Нарушение миелинизации, ухудшение когнитивных функций
Dhcr24, Hmgcs1, Idil	DMH-LHA Gsx1 Gaba нейроны	Повышение	Ферменты, участвующие в синтезе холестерина и других липидов	Возможная связь с нарушением энергетического обмена в нейронах, требуется дальнейшее изучение

Но страдают и молекулярные свойства:

• Воспаление: Во многих типах клеток, особенно в микроглии (клетки-защитники мозга), наблюдается повышение активности генов, связанных с воспалением. Хроническое воспаление в мозге — это один из ключевых факторов, способствующих развитию возрастных заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера и Паркинсона.

• Нарушение синаптической передачи: В нейронах снижается активность генов, необходимых для нормальной передачи нервных импульсов между клетками. Это может приводить к ухудшению памяти, внимания и других когнитивных функций.

• Изменения в метаболизме: Например, в олигодендроцитах (клетки, обеспечивающие электроизоляцию нейронов) снижается экспрессия генов, участвующих в синтезе липидов, что может приводить к нарушению миелинизации и ухудшению когнитивных функций.

• Нарушения в работе протеостаза: в клетках накапливаются повреждённые белки из-за сбоев в системе контроля качества белка.

Что всё это значит для нас?

Исследование, проведённое учёными из Алленовского института, — это важный шаг на пути к пониманию механизмов старения мозга. Он поможет разработать новые методы диагностики возрастных заболеваний. Например, измеряя активность определённых генов в клетках мозга, можно будет выявлять людей из группы риска на ранних стадиях.

Зная, какие гены и белки меняют свою активность с возрастом, можно разработать препараты, которые будут корректировать эти изменения. Например, можно создать лекарства, нацеленные на ген Csmd1 в таницитах, чтобы предотвратить развитие болезни Паркинсона, или препараты, стимулирующие экспрессию гена Ccnd2 в эпендимальных клетках, чтобы способствовать нейрогенезу.

Учитывая, что старение мозга — это сложный процесс, который затрагивает разные типы клеток по-разному, важно разрабатывать индивидуальные стратегии лечения для каждого пациента, сталкивающегося с возрастными изменениями или заболеваниями, ухудщаюащего функционирование мозга.

Старение мозга — неизбежный процесс, но это не значит, что мы должны опускать руки. Благодаря современным технологиям мы можем заглянуть внутрь мозга и увидеть, как меняются отдельные клетки с возрастом. Эти знания открывают новые возможности для борьбы с возрастными заболеваниями и улучшения качества жизни в пожилом возрасте. И кто знает, может быть, в будущем мы сможем не только замедлить старение мозга, но и научимся его омолаживать.

Оригинал исследования лежит тут.

 

Источник