Naukowcy z Baylor College zidentyfikowali nowy typ komórek w ludzkim mózgu, który ma właściwości neuronów i glejów.
Komórki te, występujące również w nowotworach glejaka, są zdolne do wysyłania impulsów elektrycznych, co podważa konwencjonalne przekonanie, że potrafią to zrobić tylko neurony.
Odkrycie nowego typu komórek w ludzkim mózgu
Naukowcy z Baylor College of Medicine oraz Instytutu Badań Neurologicznych im. Jana i Dana Duncanów w szpitalu dziecięcym w Teksasie odkryli nowy typ komórek w ludzkim mózgu.
Badanie opublikowano dzisiaj (5 września) w czasopiśmie Komórka Rakowa odkrywa, że jedna trzecia komórek glejaka, rodzaju guza mózgu, emituje impulsy elektryczne. Co ciekawe, impulsy, zwane także potencjałami czynnościowymi, pochodzą z komórek nowotworowych, które są po części neuronami, a po części glejami, co potwierdza przełomową tezę, że neurony nie są jedynymi komórkami, które mogą generować sygnały elektryczne w mózgu. Naukowcy odkryli również, że w nienowotworowym ludzkim mózgu występują komórki o hybrydowych cechach neuronów i glejów. Odkrycia podkreślają znaczenie dalszych badań roli tych nowo zidentyfikowanych komórek zarówno w glejaku, jak i prawidłowym funkcjonowaniu mózgu.
Wpływ na badania nad glejakiem i przeżycie pacjentów
„Glejaki to najczęstsze nowotwory ośrodkowego układu nerwowego. Każdego roku diagnozuje się ich około 12 000 przypadków. Guzy te są powszechnie śmiertelne i mają niszczycielski wpływ na funkcje neurologiczne i poznawcze. Poprzednie badania wykazały, że przeżycie pacjentów jest powiązane z proliferacją i inwazyjnością guza, na które wpływają czynniki wewnętrzne i zewnętrzne nowotworu, w tym komunikacja między komórkami nowotworowymi a neuronami znajdującymi się w mózgu” – stwierdzili profesorowie dr Benjamin Deneen i dr Russell J. i Marian K. Blattnerowie Katedry Oddziału Neurochirurgii, dyrektor Centrum Neuronauki nad Rakiem, członek Kompleksowego Centrum Onkologii im. Dana L. Duncana w Baylor i główny badacz w Instytucie Badań Neurologicznych Jana i Dana Duncanów.
Naukowcy opisali wcześniej, że glejak i otaczające go zdrowe neurony łączą się ze sobą oraz że neurony komunikują się z nowotworami w sposób, który napędza wzrost nowotworu i jego inwazyjność.
Odkrycie aktywności elektrycznej w komórkach nowotworowych
„Od jakiegoś czasu wiemy, że komórki nowotworowe i neurony oddziałują bezpośrednio” – stwierdziła pierwsza autorka, dr Rachel N. Curry, stażysta podoktorski w dziedzinie pediatrii i neuroonkologii w Baylor, która była odpowiedzialna za konceptualizację projektu. „Ale jedno pytanie, które zawsze nie dawało mi spokoju, brzmiało: «Czy komórki nowotworowe są elektrycznie aktywne?». Aby poprawnie odpowiedzieć na to pytanie, potrzebowaliśmy próbek ludzkich bezpośrednio z sali operacyjnej. Dzięki temu biologia komórek w mózgu została zachowana w jak największym stopniu”.
Aby zbadać zdolność komórek glejaka do generowania impulsów elektrycznych i zidentyfikować komórki, które je wytwarzają, zespół zastosował sekwencjonowanie Patch, czyli kombinację technik integrujących zapisy elektrofizjologiczne całych komórek w celu pomiaru sygnałów impulsowych z sekwencjonowaniem RNA jednokomórkowym i analiza struktury komórkowej w celu identyfikacji rodzaju komórek.
Innowacyjne metody i nieoczekiwane wyniki
Eksperymenty elektrofizjologiczne zostały przeprowadzone przez współpracownika badawczego i współautora, dr Qianqiana Ma, w laboratorium współautora, profesora nadzwyczajnego neurologii, dr Xiaolonga Jianga. To innowacyjne podejście nie było wcześniej stosowane w badaniach ludzkich komórek nowotworowych mózgu. „Byliśmy naprawdę zaskoczeni, gdy odkryliśmy, że te komórki nowotworowe mają unikalną kombinację właściwości morfologicznych i elektrofizjologicznych” – powiedział Ma. „Nigdy wcześniej nie widzieliśmy czegoś takiego w mózgu ssaków”.
„Wszystkie te analizy przeprowadziliśmy na pojedynczych komórkach. Przeanalizowaliśmy ich indywidualną aktywność elektrofizjologiczną. Wyodrębniliśmy zawartość każdej komórki i zsekwencjonowaliśmy RNA zidentyfikować geny, które były aktywne w komórce, co powie nam, jaki to typ komórki” – powiedział Deneen. „Zabarwiliśmy także każdą komórkę barwnikami, które uwidoczniły jej cechy strukturalne”.
Analiza i postępy obliczeniowe w neurologii
Integracja tak ogromnej ilości pojedynczych danych wymagała od badaczy opracowania nowatorskiego sposobu ich analizy.
„Aby zdefiniować komórki kolczaste i określić ich tożsamość, opracowaliśmy narzędzie obliczeniowe – Single Cell Rule Association Mining (SCRAM) – w celu indywidualnego opisywania każdej komórki” – powiedział współautor korespondujący, dr Akdes Serin Harmanci, adiunkt neurochirurgii w Baylora.
Szersze implikacje dla neurologii i praktyki klinicznej
„Odkrycie, że tak wiele komórek glejaka jest aktywnych elektrycznie, było zaskoczeniem, ponieważ jest sprzeczne z mocno ugruntowaną koncepcją neuronauki, która głosi, że spośród wszystkich typów komórek w mózgu neurony jako jedyne wysyłają impulsy elektryczne” – Curry powiedział. „Inni sugerowali, że niektóre komórki glejowe, zwane komórkami prekursorowymi oligodendrocytów (OPC), mogą wysyłać impulsy elektryczne do mózgu gryzoni, ale potwierdzenie tego u ludzi okazało się trudnym zadaniem. Nasze odkrycia pokazują, że komórki ludzkie inne niż neurony mogą wysyłać impulsy elektryczne. Ponieważ szacuje się, że w mózgu dorosłego człowieka znajduje się 100 milionów tych OPC, należy dalej badać wkład elektryczny tych komórek”.
„Co więcej, kompleksowe analizy danych ujawniły, że komórki hybrydowe w guzach glejaka mają właściwości zarówno neuronów, jak i komórek OPC” – stwierdziła Harmanci. „Co ciekawe, odkryliśmy komórki nienowotworowe, które są hybrydami neuronów i glejów, co sugeruje, że ta populacja hybryd nie tylko odgrywa rolę we wzroście glejaka, ale także przyczynia się do zdrowego funkcjonowania mózgu”.
„Odkrycia sugerują również, że odsetek komórek hybrydowych w glejaku może mieć wartość prognostyczną” – powiedział współautor do korespondencji, dr Ganesh Rao, profesor Marc J. Shapiro i kierownik neurochirurgii w Baylor. „Dane pokazują, że im więcej tych rosnących komórek glejaka hybrydowego ma pacjent, tym lepszy wynik przeżycia. Informacje te mają ogromną wartość dla pacjentów i ich lekarzy”.
Współpraca i wnioski z badań nad rakiem i mózgiem
„Ta praca jest wynikiem szeroko zakrojonej, równej współpracy w wielu dyscyplinach – neurochirurgii, bioinformatyki, neurologii i modelowaniu nowotworów – dyscyplinach silnie wspieranych przez najnowocześniejsze grupy w Baylor” – powiedział Deneen. „Wyniki pozwalają lepiej zrozumieć nowotwory glejaka i prawidłowe funkcjonowanie mózgu, a także wyrafinowany proces bioinformatyczny umożliwiający analizę złożonych populacji komórkowych i potencjalne implikacje prognostyczne dla pacjentów cierpiących na tę wyniszczającą chorobę”.
Odniesienie: „Zintegrowane profile elektrofizjologiczne i genomiczne pojedynczych komórek ujawniają wzrost komórek nowotworowych w ludzkim glejaku” 5 września 2024 r., Komórka Rakowa.
DOI: 10.1016/j.ccell.2024.08.009
Inni współautorzy tej pracy to Malcolm F. McDonald, Yeunjung Ko, Snigdha Srivastava, Pey-Shyuan Chin, Peihao He, Brittney Lozzi, Prazwal Athukuri, Junzhan Jing, Su Wang, Arif O. Harmanci i Benjamin Arenkiel. Autorzy są związani z jedną lub kilkoma z następujących instytucji: Baylor College of Medicine, Instytut Badań Neurologicznych im. Jana i Dana Duncanów w Szpitalu Dziecięcym w Teksasie oraz Centrum Nauki o Zdrowiu Uniwersytetu Teksasu w Houston.
Praca ta została wsparta grantami z NIH (R35-NS132230, R01NS124093, R01CA223388, U01CA281902, R01NS094615, 5T32HL92332-15, F31CA265156 i F99CA274700). Dalsze wsparcie zapewniono w ramach dotacji NIH Shared Instrument Grants (S10OD023469, S10OD025240, P30EY002520) i dotacji CPRIT RP200504.
