Nowe badanie pokazuje, że utrzymanie zdrowych naczyń krwionośnych ma kluczowe znaczenie dla zdrowia mózgu i może pomóc w walce z chorobami neurodegeneracyjnymi, takimi jak choroba Alzheimera, umożliwiając wcześniejsze wykrywanie i potencjalnie opracowując nowe metody leczenia.
Naukowcy wskazują obszary mózgu myszy podatne na zwyrodnienie naczyń krwionośnych, rzucając światło na związek między układem naczyniowym a chorobami neurodegeneracyjnymi.
Utrzymanie zdrowych naczyń krwionośnych jest ważne nie tylko dla zdrowia serca, ale także zdrowia mózgu. Według nowego badania prowadzonego przez naukowców z Penn State, dobre samopoczucie naczyń ma kluczowe znaczenie w leczeniu związanego z wiekiem pogorszenia funkcji poznawczych i zaburzeń neurodegeneracyjnych, takich jak Alzheimera choroba. Odkrycia podkreślają potencjalnie znaczącą, choć niedostatecznie zbadaną rolę, jaką sieć naczyniowa mózgu, czyli infrastruktura energetyczna, odgrywa w pojawianiu się chorób neurodegeneracyjnych.
Opublikowali swoje prace w czasopiśmie Komunikacja przyrodnicza.
Korzystając z zaawansowanych technik obrazowania, zespół opracował mapy mózgu myszy, które ilustrują, jak komórki i struktury naczyniowe, takie jak naczynia krwionośne, zmieniają się wraz z wiekiem, a także zidentyfikowały obszary podatne na degradację. Kiedy naczynia krwionośne ulegają degradacji, komórkom nerwowym w mózgu, zwanym neuronami, brakuje energii, co powoduje ich nieprawidłowe działanie lub śmierć. Może prowadzić do stanu zwanego otępieniem naczyniowym, drugiej co do częstości przyczyny zaburzeń funkcji poznawczych u osób starszych i objawów, takich jak zaburzenia snu.
Naukowcy wykorzystali zaawansowane techniki obrazowania do identyfikacji komórek i struktur naczyniowych, takich jak naczynia krwionośne, w mózgach myszy. Źródło: udostępnione przez Kim Lab/Penn State
Wczesne wykrywanie i zrozumienie chorób neurodegeneracyjnych
„W przypadku choroby Alzheimera, zanim w badaniu rezonansu magnetycznego widoczne są zmiany naczyniowe i znaczne kurczenie się mózgu, oznacza to, że komórka już umiera. Musimy zrozumieć, jak zmieniają się te komórki i struktury, zanim nastąpi poważna katastrofa” – powiedział Yongsoo Kim, profesor nadzwyczajny nauk neuronowych i behawioralnych w Penn State College of Medicine i główny autor badania. „To badanie dostarcza wczesnych oznak chorób neurodegeneracyjnych, potencjalnie prowadząc do wcześniejszej diagnozy i wskazówek, w jaki sposób możemy spowolnić proces starzenia i zmiany poznawcze”.
Według Kima starzenie się jest jednym z głównych czynników powodujących choroby neurodegeneracyjne.
„Jednak tak naprawdę nie mamy dobrej podstawowej wiedzy na temat tego, jak normalne starzenie się samo w sobie zmienia mózg, zwłaszcza jego układ naczyniowy” – stwierdził Kim. Stwierdził, że w obliczu rosnącego starzenia się populacji Stanów Zjednoczonych zrozumienie tych zmian, szczególnie w obrębie sieci naczyń krwionośnych, ma kluczowe znaczenie.
Naczynia krwionośne, zwłaszcza mikronaczynia, regulują dostarczanie tlenu i energii oraz usuwanie odpadów do i z neuronów. Pomimo ich znaczenia, powiedział Kim, większość istniejących badań skupia się na tym, jak struktura i funkcja neuronów ulega degeneracji w czasie, a nie na układzie naczyniowym. Kiedy badacze badają układ naczyniowy mózgu, badają przede wszystkim większe naczynia krwionośne lub skupiają się na jednym, łatwo dostępnym obszarze mózgu, korze somatosensorycznej. Co ważniejsze, typowe techniki neuroobrazowania, takie jak MRI, nie zapewniają wystarczająco wysokiej rozdzielczości, aby zobaczyć, co dzieje się w maleńkich naczyniach krwionośnych, które według Kim stanowią 80–85% układu naczyniowego mózgu.
Starzejące się mózgi wykazują zmniejszoną długość naczyń i gęstość rozgałęzień, zwiększone promienie, zmniejszoną gęstość perycytów, nieszczelną barierę krew-mózg i niższą zdolność przenoszenia tlenu we krwi w porównaniu z młodymi mózgami. Źródło: udostępnione przez Kim Lab/Penn State
Kim i zespół badawczy stworzyli szczegółową mapę sieci naczyniowej całego mózgu myszy, korzystając z dwóch technik mapowania 3D o wysokiej rozdzielczości: seryjnej dwu-foton tomografia – technika polegająca na tworzeniu serii nałożonych na siebie obrazów 2D – oraz mikroskopia fluorescencyjna arkusza świetlnego, która obrazuje nienaruszone próbki 3D w celu wizualizacji całego mózgu w rozdzielczości pojedynczej komórki. Sfotografowali mózgi młodych i starych myszy, aby określić zmiany w układzie naczyniowym w mózgu towarzyszące normalnemu starzeniu się.
„Ponieważ wykonujemy mapowanie w wysokiej rozdzielczości i z wystarczającą rozdzielczością, możemy zrekonstruować całą strukturę naczyniową i przeskanować cały mózg, aby wskazać obszary, które z wiekiem ulegają selektywnej degeneracji” – powiedział Kim. „Odkryliśmy, że obszar badany przez większość ludzi wykazał najmniej zmian, podczas gdy głębokie zmiany zachodzą w obszarach w głębokich obszarach mózgu. Sugeruje to, że jeśli chodzi o badania nad starzeniem się, przyjrzeliśmy się niewłaściwemu obszarowi.”
Znaczące ustalenia i przyszłe kierunki
Obrazy pokazały, że zmiany w sieci naczyniowej nie zachodzą jednakowo w całym mózgu. Skupiały się raczej w podstawnej części przodomózgowia, głębokich warstwach korowych i sieci hipokampa, co sugeruje, że te obszary są bardziej podatne na zwyrodnienie naczyń. Regiony te odgrywają między innymi rolę w skupieniu uwagi, śnie, przetwarzaniu i przechowywaniu pamięci.
W miarę starzenia się mózgu długość naczyń i gęstość rozgałęzień zmniejszają się o około 10%, co wskazuje, że istnieje rzadsza sieć rozprowadzania krwi. Tętnice w starszych mózgach wydają się również bardziej skręcone w porównaniu z tętnicami w młodszych mózgach, co może utrudniać przepływ krwi, szczególnie do obszarów oddalonych od głównych tętnic, takich jak głębokie warstwy korowe – wyjaśnił Kim.
Zespół zbadał także zmiany funkcjonalne w układzie naczyniowym i odkrył, że w starszych mózgach system reaguje wolniej. Oznacza to, że nie jest w stanie zapewnić neuronom energii tak szybko i łatwo, jak potrzebują tego komórki. Następuje również utrata perycytów, rodzaju komórek regulujących dopływ krwi i przepuszczalność naczyń krwionośnych. W rezultacie naczynia krwionośne stają się „nieszczelne”, co narusza barierę krew-mózg.
Niniejsze badanie opiera się na wcześniejszych badaniach grupy, w których zmapowali układ naczyniowy mózgu młodej myszy. Następnie badają, w jaki sposób zmiany w mózgu wywołane chorobą Alzheimera wpływają na zdrowie naczyń i funkcjonowanie neuronów. Ostatecznie wyrazili nadzieję, że ich praca doprowadzi do leczenia chorób neurodegeneracyjnych.
Odniesienie: „Starzenie się napędza przebudowę sieci naczyń mózgowych i zmiany funkcjonalne w mózgu myszy” Hannah C. Bennett, Qingguang Zhang, Yuan-ting Wu, Steffy B. Manjila, Uree Chon, Donghui Shin, Daniel J. Vanselow, Hyun-Jae Pi , Patrick J. Drew i Yongsoo Kim, 30 lipca 2024 r., Komunikacja przyrodnicza.
DOI: 10.1038/s41467-024-50559-8
Hannah Bennett, studentka studiów medycznych i doktorantka, oraz Steffy Manjila, stypendystka ze stopniem doktora, wspólnie kierowały badaniem wraz z Quingguangiem Zhangiem, który w czasie prowadzenia badań był adiunktem w Penn State, a obecnie jest adiunktem w stanie Michigan University oraz Yuan-ting Wu, który wcześniej był pracownikiem naukowym w Penn State, a obecnie pracownikiem naukowym zajmującym się projektem w Cedars-Sinai Medical Center. Inni autorzy artykułu z Penn State to: Patrick Drew, profesor nauk inżynieryjnych i mechaniki, neurochirurgii, biologii i inżynierii biomedycznej oraz tymczasowy dyrektor Huck Institutes of the Life Sciences; Uree Chon, technik badawczy; Donghui Shin, technolog badań; Daniel Vanselow, kierownik projektu badawczego; Hyun-Jae Pi, analityk danych.
The Narodowy Instytut Zdrowia i American Heart Association sfinansowały tę pracę.
