ΑΙΜΑΤΟΕΓΚΕΦΑΛΙΚΟΣ ΦΡΑΓΜΟΣ

 

Μια νέα πρωτεωμική μέθοδος αποκαλύπτει πώς ο αιματοεγκεφαλικός φραγμός ωριμάζει, γερνάει και θα μπορούσε να ελεγχθεί θεραπευτικά.| 

Ο αιματοεγκεφαλικός φραγμός (ΑΕΦ)

λειτουργεί ως βιολογικό τοίχωμα που προστατεύει τον εγκέφαλο, ενώ ταυτόχρονα μπλοκάρει το 98% των πιθανών νευρολογικών φαρμάκων.

 

Μια νέα μελέτη από 

το Janelia Research Campus και 

το Broad Institute χρησιμοποίησε πρωτεωμική υψηλής ανάλυσης για να χαρτογραφήσει 

αυτή τη διεπαφή in vivo για πρώτη φορά. 

Τα αποτελέσματα αποκαλύπτουν πώς ωριμάζει και γερνάει το φράγμα, 

παρέχοντας ένα σχέδιο για τον χειρισμό της αγγειακής διαπερατότητας για την αντιμετώπιση της νευροεκφύλισης.

Χαρτογράφηση 

του αιματοεγκεφαλικού φραγμού 

Τα αιμοφόρα αγγεία αποτελούν το δίκτυο μεταφοράς οξυγόνου στο σώμα. 

Μεταφέρουν οξυγόνο, θρεπτικά συστατικά 

και ανοσοκύτταρα σε κάθε όργανο. 

Ωστόσο, ο εγκέφαλος είναι λίγο διαφορετικός.

Τα αγγεία του σχηματίζουν ένα εξαιρετικά επιλεκτικό φράγμα, γνωστό ως αιματοεγκεφαλικό φραγμό (BBB), 

το οποίο λειτουργεί ως φυσικό και χημικό φίλτρο που διατηρεί το περιβάλλον του εγκεφάλου. 

Αυτό το φράγμα είναι η κύρια διεπαφή μεταξύ του αίματος και του εγκεφάλου. 

Πρέπει να είναι αρκετά διαπερατό για να επιτρέπει την είσοδο θρεπτικών συστατικών, αλλά και αρκετά στεγανό για να κρατά έξω τοξίνες και παθογόνους οργανισμούς. 

Όταν αυτό το τείχος καταρρεύσει, 

τα αποτελέσματα μπορεί να είναι καταστροφικά, συμβάλλοντας 

στη σκλήρυνση κατά πλάκας, 

την εγκεφαλίτιδα και 

διάφορες μορφές άνοιας.

 

Το αιμο σφαιριο εγκεφαλικό φραγμό (BBB) ​​είναι τόσο αποτελεσματικό 

που μπλοκάρει την πλειονότητα των φαρμάκων μικρών μορίων 

και σχεδόν όλες τις θεραπείες μεγάλων μορίων για το Αλτσχάιμερ και τη Πάρκινσον.

 

«Όλα όσα βρίσκονται στην κυκλοφορία του αίματος, αν θέλουν να έχουν μια ανταλλαγή με το όργανο, πρέπει να περάσουν από αυτή τη διεπαφή», 

εξήγησε ο επικεφαλής συγγραφέας Δρ. Τζιεφού Λι , επικεφαλής της ομάδας στην ερευνητική πανεπιστημιούπολη Janelia. 

 

Παρά τη σημασία τους, μέχρι σήμερα, οι επιστήμονες δεν είχαν βρει έναν τρόπο να απομονώσουν τις επιφανειακές πρωτεΐνες από την επιφάνεια του αυλού σε έναν ζωντανό οργανισμό. 

Προηγούμενες προσπάθειες συχνά απαιτούσαν πολύπλοκες γενετικές τροποποιήσεις ή ακούσια επισημασμένες πρωτεΐνες βαθιά μέσα στον ιστό και όχι μόνο στην επιφάνεια.

«Η κατανόηση του τρόπου λειτουργίας του αιματοεγκεφαλικού φραγμού, και ιδιαίτερα ο προσδιορισμός των μοριακών στόχων με τους οποίους μπορείτε να πειραματιστείτε για να ανοίξετε και να κλείσετε το φράγμα, θα προσφέρει νέες δυνατότητες για την χορήγηση φαρμάκων», δήλωσε ο Λι.

 

«Αυτό θα μας επιτρέψει να πούμε: γνωρίζουμε ότι το αγγειακό σύστημα κάνει διαφορετικά πράγματα σε διαφορετικά όργανα και βασίζεται σε αυτήν την επιφάνεια του αυλού, αλλά πώς συμβαίνει αυτό; 

Ποιοι είναι οι μοριακοί παράγοντες εκεί;» πρόσθεσε.

Αποκάλυψη της αγγειακής γήρανσης 

με πρωτεωμική υψηλής ανάλυσης

Ο Λι και η ομάδα του ανέπτυξαν μια μέθοδο που ονομάζεται WGA-HRP proximity labeling. Χρησιμοποίησαν μια πρωτεΐνη που συνδέεται με ζάχαρη, την αγλουτινίνη φύτρου σιταριού (WGA), και τη συνέδεσαν με ένα ένζυμο που ονομάζεται υπεροξειδάση χρένου (HRP). Επειδή η WGA προσκολλάται φυσικά στο εσωτερικό των αιμοφόρων αγγείων, αγκυρώνει το ένζυμο στην επιφάνεια του αυλού.

 

Όταν οι ερευνητές κυκλοφορούν στη συνέχεια έναν ανιχνευτή βιοτίνης μέσω του αίματος, το ένζυμο τον ενεργοποιεί, επισημαίνοντας κάθε κοντινή πρωτεΐνη με μια χημική σημαία. 

Αυτό επέτρεψε στην ομάδα να χρησιμοποιήσει φασματομετρία μάζας για να αναγνωρίσει τις πρωτεΐνες που βρίσκονται συγκεκριμένα στην αγγειακή διεπαφή χωρίς να διαταράξει τον περιβάλλοντα εγκεφαλικό ιστό.

 

Για να παρακολουθήσουν αυτές τις αλλαγές με την πάροδο του χρόνου, οι ερευνητές κατέγραψαν το αγγειακό πρωτεόνο των ποντικών σε τρία διακριτά στάδια ζωής: νεογνικό (6 ημέρες), ενήλικο (3 μήνες) και ηλικιωμένο (20 μήνες).

 

Η μελέτη παρήγαγε έναν άτλαντα με πάνω από 1.000 πρωτεΐνες, ο οποίος είναι πλέον ανοιχτός σε ολόκληρη την επιστημονική κοινότητα.

 

Τα προκύπτοντα πρωτεωμικά δεδομένα αποκάλυψαν μια δραματική μεταβολή με την πάροδο του χρόνου. 

Στα νεογνικά στάδια, 

ο αιματοεγκεφαλικός φραγμός (BBB) 

​​είναι μια κυψέλη δραστηριότητας, 

γεμάτη με πρωτεΐνες που οδηγούν στην ανάπτυξη νέων αγγείων και τη μεταφορά θρεπτικών συστατικών. 

Καθώς ο εγκέφαλος ωριμάζει στην ενηλικίωση, αυτά τα σήματα ανάπτυξης μειώνονται. 

Μέχρι την τρίτη ηλικία, το προφίλ μετατοπίζεται ξανά προς μια προφλεγμονώδη κατάσταση, τα αγγεία γίνονται σωματικά πιο άκαμπτα και λιγότερο αποτελεσματικά στην προσαρμογή στις ανάγκες του εγκεφάλου. 

Αυτή η μετάβαση από ένα ευέλικτο, προσανατολισμένο στην ανάπτυξη σύστημα σε ένα άκαμπτο, φλεγμονώδες σύστημα παρέχει έναν μοριακό χάρτη της αγγειακής γήρανσης.

 

Η μελέτη εντόπισε επίσης δύο πρωτεΐνες που λειτουργούν ως βασικές δομικές άγκυρες. 

Η πρώτη, η SLC7A1, είναι ένας ρυθμιστής ειδικός για τα νεογνά που συνεργάζεται με την οδό NOS3 για να διατηρήσει το φραγμό στα πρώτα χρόνια της ζωής. 

Η δεύτερη, ένα ένζυμο που ονομάζεται HYAL2, λειτούργησε ως παγκόσμιος φύλακας της ακεραιότητας του φραγμού σε όλες τις ηλικίες.

Όταν οι ερευνητές αφαίρεσαν αυτές τις πρωτεΐνες σε εργαστηριακά μοντέλα χρησιμοποιώντας ιικούς φορείς, το φράγμα παρουσίασε διαρροή.

Νέοι θεραπευτικοί στόχοι για την ακεραιότητα του αιματοεγκεφαλικού φραγμού

Η ανακάλυψη αυτών των μοριακών διακοπτών θα μπορούσε να αλλάξει τον τρόπο με τον οποίο αντιμετωπίζουμε τις νευρολογικές παθήσεις. 

Εάν η HYAL2 ή η SLC7A1 μπορούν να ρυθμιστούν, θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για την παράκαμψη του αιμοσφαιρινο-φραγμού. 

«Αυτό που γνωρίζουμε τώρα είναι ότι έχουμε δύο νέες οδούς, ενδεχομένως, για να ανοίξουμε τον αιματοεγκεφαλικό φραγμό και να καθοδηγήσουμε ορισμένες θεραπευτικές εξελίξεις», δήλωσε ο Λι.

 

Αυτό θα μπορούσε να επιτρέψει την στοχευμένη χορήγηση χημειοθεραπείας 

ή γονιδιακών θεραπειών που προς το παρόν αποκλείονται από τον εγκέφαλο. 

Η ενίσχυση αυτών των οδών θα μπορούσε επίσης να βοηθήσει στην «κάλυψη» των διαρροών που παρατηρούνται σε νευροεκφυλιστικές παθήσεις.

 

Οι ερευνητές επιβεβαίωσαν ότι η σήμανση εγγύτητας WGA-HRP λειτούργησε επίσης σε άλλα όργανα, όπως το νεφρό και το έντερο, και σε διαφορετικά είδη, συμπεριλαμβανομένης της βόρειας δενδρόμυγας.

 

«Αυτή η μέθοδος λύνει μια σημαντική ανάγκη, αλλά είναι επίσης μια πολύ εύχρηστη μέθοδος, ώστε όλοι να μπορούν να τη χρησιμοποιήσουν», είπε ο Λι.

 

Επειδή δεν απαιτούνται εξειδικευμένα διαγονιδιακά ζώα, εργαστήρια παγκοσμίως είναι πλέον σε θέση να χαρτογραφήσουν τις αγγειακές επιφάνειες διαφόρων μοντέλων ασθενειών.

 

Η μελλοντική εργασία θα πρέπει να επικεντρωθεί στη μεταφορά αυτών των ευρημάτων σε ανθρώπινα κλινικά πλαίσια. 

Η δημιουργία παρόμοιων πρωτεωμικών χαρτών για το αγγειακό σύστημα ειδικών για κάθε ανθρώπινο όργανο θα μπορούσε να οδηγήσει σε φάρμακα που απελευθερώνουν τη δόση τους μόνο σε συγκεκριμένους ιστούς.

 

Η μελέτη παρέχει έναν τεράστιο πόρο ανοιχτής πρόσβασης για την επιστημονική κοινότητα. 

Ορίζοντας τους μοριακούς παράγοντες στη διεπαφή του αίματός μας και του εγκεφάλου μας, οι επιστήμονες βρίσκονται πιο κοντά στο να μετατρέψουν ένα βιολογικό τείχος σε μια διαχειρίσιμη πόρτα.

 

Αναφορά:  Zhu Z, Jiang Z, Wang Y, et al.