Um estudo do MIT publicado hoje na Nature fornece novas evidências sobre como células e circuitos específicos se tornam vulneráveis na doença de Alzheimer, e destaca outros fatores que podem ajudar algumas pessoas a mostrar resistência ao declínio cognitivo, mesmo diante de sinais claros da patologia da doença.
Para destacar possíveis alvos para intervenções que sustentem a cognição e a memória, os autores realizaram uma comparação inovadora da expressão gênica em várias regiões cerebrais em pessoas com ou sem doença de Alzheimer, e conduziram experimentos laboratoriais para testar e validar suas principais descobertas.
As células cerebrais têm o mesmo DNA, mas o que as faz diferir, tanto em sua identidade quanto em sua atividade, são seus padrões de expressão gênica. A nova análise mediu as diferenças na expressão gênica em mais de 1,3 milhão de células de mais de 70 tipos celulares em seis regiões cerebrais de 48 doadores de tecido, 26 dos quais faleceram com diagnóstico de Alzheimer e 22 sem o diagnóstico. Assim, o estudo fornece um relato único, abrangente e detalhado de como a atividade das células cerebrais difere na doença de Alzheimer por tipo celular, por região cerebral, por patologia da doença e pela avaliação cognitiva de cada pessoa ainda viva.
“Regiões cerebrais específicas são vulneráveis na doença de Alzheimer e há uma necessidade importante de entender como essas regiões ou tipos celulares específicos são vulneráveis”, diz a co-autora sênior Li-Huei Tsai, Professora do Instituto Picower para Aprendizado e Memória e da Iniciativa do Cérebro Envelhecido do MIT. “E o cérebro não é apenas neurônios. Existem muitos outros tipos de células. Como esses tipos celulares podem responder de maneira diferente, dependendo de onde estão, é algo fascinante que estamos apenas começando a investigar.”
O co-autor sênior Manolis Kellis, professor de ciência da computação e chefe do Grupo de Biologia Computacional do MIT, compara a técnica usada para medir comparações de expressão gênica, o perfilamento de RNA de célula única, a um “microscópio” muito mais avançado do que aqueles que permitiram a Alois Alzheimer caracterizar a patologia da doença há mais de um século.
“Onde Alzheimer viu placas de proteína amiloide e emaranhados de tau fosforilados em seu microscópio, nosso ‘microscópio’ de célula única nos diz, célula por célula e gene por gene, sobre milhares de mudanças biológicas sutis, porém importantes, em resposta à patologia”, diz Kellis. “Conectar essas informações com o estado cognitivo dos pacientes revela como as respostas celulares se relacionam com a perda ou resistência cognitiva e pode ajudar a propor novas maneiras de tratar a perda cognitiva. A patologia pode preceder os sintomas cognitivos em uma ou duas décadas antes que o declínio cognitivo seja diagnosticado. Se não há muito que possamos fazer sobre a patologia nessa fase, podemos pelo menos tentar proteger as vias celulares que mantêm a função cognitiva.”
Hansruedi Mathys, ex-pós-doutor do MIT no Laboratório Tsai, que agora é professor assistente na Universidade de Pittsburgh; Carles Boix PhD ’22, ex-aluno de pós-graduação no laboratório de Kellis, que agora é pós-doutor na Escola de Medicina de Harvard; e Leyla Akay, aluna de pós-graduação no laboratório de Tsai, lideraram o estudo analisando o córtex pré-frontal, córtex entorrinal, hipocampo, tálamo anterior, giro angular e córtex do meio-temporal. As amostras cerebrais vieram do Estudo da Ordem Religiosa e do Projeto de Memória e Envelhecimento na Universidade Rush.
Vulnerabilidade neural e Reelin
Alguns dos primeiros sinais de patologia amiloide e perda de neurônios na doença de Alzheimer ocorrem em regiões focadas na memória chamadas hipocampo e córtex entorrinal. Nessas regiões e em outras partes do córtex cerebral, os pesquisadores conseguiram identificar um motivo potencial. Um tipo de neurônio excitatório no hipocampo e quatro no córtex entorrinal eram significativamente menos abundantes em pessoas com Alzheimer do que em pessoas sem a doença. Indivíduos com redução dessas células tiveram um desempenho significativamente pior em avaliações cognitivas. Além disso, muitos neurônios vulneráveis estavam interconectados em um circuito neuronal comum. E, igualmente importante, vários expressavam diretamente uma proteína chamada Reelin, ou eram diretamente afetados pelo sinalizador Reelin. No total, portanto, as descobertas destacam de forma distinta neurônios especialmente vulneráveis, cuja perda está associada à redução da cognição, que compartilham um circuito neuronal e uma via molecular.
Tsai observa que Reelin se tornou proeminente na pesquisa sobre Alzheimer por causa de um estudo recente de um homem na Colômbia. Ele tinha uma mutação rara no gene Reelin que fez a proteína ser mais ativa e conseguiu manter a saúde cognitiva em uma idade avançada, apesar de ter uma forte predisposição familiar para Alzheimer de início precoce. O novo estudo mostra que a perda de neurônios produtores de Reelin está associada ao declínio cognitivo. Em conjunto, isso pode significar que o cérebro se beneficia do Reelin, mas que os neurônios que o produzem podem ser perdidos em pelo menos alguns pacientes com Alzheimer.
“Pode-se pensar que o Reelin tem algum tipo de efeito protetor ou benéfico”, diz Akay. “Mas ainda não sabemos o que ele faz ou como poderia conferir resistência.”
Em uma análise adicional, os pesquisadores também descobriram que subtipos de neurônios inibitórios especificamente vulneráveis identificados em um estudo anterior desse grupo no córtex pré-frontal também estavam envolvidos no sinalizador Reelin, reforçando ainda mais a importância da molécula e de sua via de sinalização.
Para verificar ainda mais seus resultados, a equipe examinou diretamente as amostras de tecido cerebral humano e os cérebros de dois tipos de camundongos modelo de Alzheimer. De fato, esses experimentos também mostraram uma redução de neurônios positivos para Reelin no córtex entorrinal humano e de camundongos.
Resistência associada ao metabolismo da colina em astrócitos
Para encontrar fatores que possam preservar a cognição, mesmo em meio à patologia, a equipe examinou quais genes, em quais células e em quais regiões, estavam mais intimamente associados à resistência cognitiva, que eles definiram como função cognitiva residual, acima da perda cognitiva típica esperada dada a patologia observada.
Sua análise produziu uma resposta surpreendente e específica: em várias regiões cerebrais, astrócitos que expressavam genes associados à atividade antioxidante e ao metabolismo da colina e à biossíntese de poliaminas estavam significativamente associados à cognição sustentada, mesmo em meio a altos níveis de tau e amiloide. Os resultados reforçaram descobertas de pesquisas anteriores lideradas por Tsai e Susan Lundqvist, nas quais mostraram que o suplemento dietético de colina ajudou os astrócitos a lidar com a desregulação de lipídios causada pelo gene de risco mais significativo para Alzheimer, a variante APOE4. As descobertas antioxidantes também apontaram para uma molécula que pode ser encontrada como suplemento dietético, a espermidina, que pode ter propriedades anti-inflamatórias, embora tal associação precise de mais estudos para ser estabelecida causalmente.
Como antes, a equipe foi além das previsões da análise de expressão de RNA de célula única para fazer observações diretas no tecido cerebral de amostras. Aquelas que vieram de indivíduos cognitivamente resilientes de fato mostraram aumento da expressão de vários dos genes expressos por astrócitos previstos para estar associados à resistência cognitiva.
Novo método de análise, conjunto de dados aberto
Para analisar as montanhas de dados de células únicas, os pesquisadores desenvolveram uma nova metodologia robusta baseada em grupos de genes coordenadamente expressos (conhecidos como “módulos gênicos”), explorando assim os padrões de correlação de expressão entre genes funcionalmente relacionados no mesmo módulo.
“Em princípio, as 1,3 milhão de células que analisamos poderiam usar seus 20.000 genes em um número astronômico de combinações diferentes”, explica Kellis. “Na prática, no entanto, observamos um subconjunto muito menor de mudanças coordenadas. Reconhecer esses padrões coordenados nos permite inferir mudanças muito mais robustas, porque são baseadas em vários genes no mesmo módulo funcionalmente conectado.”
Ele ofereceu essa analogia: Com muitas articulações em seus corpos, as pessoas poderiam se mover de todas as maneiras loucas, mas na prática elas se envolvem em muito menos movimentos coordenados, como andar, correr ou dançar. O novo método permite que os cientistas identifiquem esses programas coordenados de expressão gênica como um grupo.
Enquanto os laboratórios de Kellis e Tsai já relataram várias descobertas notáveis a partir do conjunto de dados, os pesquisadores esperam que muitas outras descobertas possivelmente significativas ainda esperem ser encontradas no tesouro de dados. Para facilitar essa descoberta, a equipe disponibilizou ferramentas analíticas e de visualização úteis juntamente com os dados no site de Kellis.
“O conjunto de dados é tão imensamente rico. Nos concentramos apenas em alguns aspectos que consideramos muito, muito interessantes, mas de maneira alguma esgotamos o que pode ser aprendido com esse conjunto de dados”, diz Kellis. “Esperamos muitas mais descobertas pela frente, e esperamos que jovens pesquisadores (de todas as idades) mergulhem de cabeça e nos surpreendam com muitas mais percepções.”
No futuro, Kellis diz, os pesquisadores estão estudando o circuito de controle associado aos genes diferencialmente expressos, para entender as variantes genéticas, os reguladores e outros fatores de controle que podem ser modulados para reverter a circuitaria da doença em diferentes regiões cerebrais, tipos celulares e diferentes estágios da doença.
Autores adicionais do estudo incluem Ziting Xia, Jose Davila Velderrain, Ayesha P. Ng, Xueqiao Jiang, Ghada Abdelhady, Kyriaki Galani, Julio Mantero, Neil Band, Benjamin T. James, Sudhagar Babu, Fabiola Galiana-Melendez, Kate Louderback, Dmitry Prokopenko, Rudolph E. Tanzi e David A. Bennett.
O suporte para a pesquisa veio dos Institutos Nacionais de Saúde, do Instituto Picower para Aprendizado e Memória, da Fundação JPB, do Fundo para a Cura do Alzheimer, da Fundação Familiar Robert A. e Renee E. Belfer, de Eduardo Eurnekian e de Joseph DiSabato.
Redação Confraria Tech
Referências:
Study across multiple brain regions discerns Alzheimer’s vulnerability and resilience factors
