APOE 4/4 promotes dysfunctional and inflammatory phenotypes concomitant with impaired maturation of hiPSC-derived astrocytes

يُعد مرض ألزهايمر حالة تدريجية تنهش ببطء الذاكرة ومهارات التفكير، تاركةً الملايين من الناس وعائلاتهم في رحلة بحث عن إجابات. وبينما يُعد التقدم في السن أكبر عامل خطر للإصابة بالمرض، تلعب الوراثة أيضًا دورًا قويًا. ومن بين الأدلة الجينية المختلفة التي وجدها العلماء، يبرز جين محدد يسمى APOE كأكثرها أهمًا. يوفر هذا الجين تعليمات لصنع بروتين يساعد في نقل الدهون والكوليسترول في الدماغ، حيث يعمل نوعًا ما مثل شاحنة توصيل للمغذيات الأساسية. يحمل معظم الناس نسخة شائعة من هذا الجين، لكن البعض يحمل متغيرًا يُعرف باسم الأليل "إبسيلون 4" (epsilon 4). ويؤدي امتلاك نسختين من هذا المتغير إلى زيادة خطر الإصابة بمرض ألزهايمر بشكل كبير، لدرجة أن بعض الباحثين يعتبرونه شكلًا جينيًا متميزًا للمرض.

لسنوات، عرف العلماء أن متغير "إبسيلون 4" خطير، لكنهم واجهوا صعوبة في فهم كيفية تسببه في الضرر بدقة. يمتلئ الدماغ بخلايا دعم تسمى الخلايا النجمية (astrocytes)، والتي تعمل كراعٍ للخلايا العصبية، وهي خلايا التواصل في الدماغ. تنتج هذه الخلايا النجمية بروتين APOE، ولم يكن واضحًا ما إذا كانت نسخة "إبسيلون 4" الخطيرة تفشل ببساطة في أداء وظيفتها بشكل صحيح، أم أنها تجعل الأمور أسوأ فعليًا. ولحل هذا اللغز، احتاج الباحثون إلى وسيلة لمراقبة تطور هذه الخلايا ووظائفها في بيئة مضبوطة، بعيدًا عن المتغيرات المعقدة لجسم الإنسان الحي.

لقد اتخذ فريق من العلماء في معهد "كاخال" (Instituto Cajal) في إسبانيا الآن خطوة كبيرة نحو الإجابة على هذا السؤال من خلال زراعة خلايا دماغ بشرية في طبق مختبري. بدأوا بخلايا جلد من مرضى مصابين بألزهايمر ومن أصحاء، وحولوها مرة أخرى إلى حالة بدائية حيث يمكن أن تصبح أي نوع من الخلايا. ومن هناك، وجهوا هذه الخلايا لتنضج وتصبح خلايا نجمية. ولضمان أن تكون نتائجهم ناتجة حصريًا عن الشفرة الجينية وليس بسبب اختلافات أخرى بين البشر، استخدموا تقنية قوية لإنشاء خطوط "متماثلة جينيًا" (isogenic). وهذا يعني أنهم أخذوا مجموعة واحدة من الخلايا وعدلوا الجينات لإنشاء أربع نسخ متميزة: نسخة تحتوي على المتغير الواقي "إبسيلون 2"، ونسخة "إبسيلون 3" الشائعة، ونسخة "إبسيلون 4" الخطرة، ونسخة تم فيها إزالة جين APOE تمامًا. سمح لهم ذلك بمقارنة الخلايا جنبًا إلى جنب، مع تغيير التعليمات الجينية الخاصة ببروتين APOE فقط.

اكتشف الباحثون أن وجود نسختين من أليل "إبسيلون 4" يغير بشكل جوهري كيفية نمو وسلوك خلايا الدعم هذه. فقبل ظهور أي أعراض للمرض، بدت الخلايا النجمية التي تحمل مزيج "إبسيلون 4/4" مختلفة؛ حيث كانت أصغر حجمًا وأكثر اندماجًا مقارنة بنظيراتها. والأهم من ذلك، أنها فشلت في النضج الكامل. فبينما طورت الخلايا النجمية الصحية وتلك التي تحمل متغيرات جينية أخرى علامات محددة تشير إلى جاهزيتها للعمل، أظهرت خلايا "إيبسلون 4/4" انخفاضًا كبيرًا في البروتينات التي تشير عادةً إلى هذا النضج. وهذا يشير إلى أن المتغير الجيني الخطير يعطل التطور الطبيعي لهذه الخلايا منذ البداية، مما يمنعها من الوصول إلى كامل إمكاناتها.

وبعيدًا عن مظهرها، كانت الخلايا النجمية من نوع "إيبسلون 4/4" مختلة كيميائيًا أيضًا. في الدماغ السليم، تعمل الخلايا النجمية كفريق تنظيف، حيث تزيل فائض "الغلوتامات" (glutamate)، وهو مركب كيميائي تستخدمه الخلايا العصبية للتواصل فيما بينها. وإذا بقيت كمية كبيرة من الغلوتامات، فقد تصبح سامة وتلحق الضرر بالخلايا العصبية. ووجدت الدراسة أن خلايا "إيبسلون 4/4" كانت أقل كفاءة بكثير في مهمة التنظيف هذه، مما ترك المزيد من الغلوتامات في البيئة المحيطة. وفي الوقت نفسه، كانت هذه الخلايا في حالة إنذار منخفضة المستوى باستمرار؛ حيث أطلقت مستويات أعلى من مركب كيميائي يسمى "IL-6"، والذي يشير إلى الالتهاب، حتى في غياب أي تهديد خارجي. وهذا يشير إلى أن خلايا "إيبسلون 4/4" مهيأة لإحداث الالتهاب، مما يخلق بيئة معادية للخلايا العصبية قبل أن يبدأ المرض في التمكن منها.

عندما تحدى الباحثون هذه الخلايا بمحفزات التهابية أو ببروتين "أميلويد بيتا" (amyloid-beta)، وهو جزء بروتيني سام مرتبط بألزهايمر، استجابت الخلايا بطرق كشفت عن الطبيعة المحددة للمشكلة. أظهرت خلايا "إيبسلون 4/4" النجمية تفرعات أكثر تعقيدًا عند تعرضها للالتهاب، وهي علامة على التفاعل، لكنها لم تظهر نفس الاستجابة لـ "أميلويد بيتا". والأهم من ذلك، عندما فحص الباحثون الخلايا التي تمت إزالة الجين منها تمامًا، وجدوا أن العديد من هذه السمات السلبية قد اختفت. فلم تظهر الخلايا التي تفتقر إلى الجين نفس النقص في الحجم أو الالتهاب المفرط. وهذا تمييز حيوي: فهو يثبت أن متغير "إيبسلون 4" ليس مجرد فشل في أداء عمله بشكل جيد، بل إنه يقوم بشيء ضار فعليًا. فالبروتين نفسه هو الذي يدفع هذه التغييرات، حيث يعمل كمصدر للسمية بدلاً من كونه مجرد قطعة مفقودة من اللغز.

كما درست الدراسة كيفية تعامل هذه الخلايا مع "أميلويد بيتا". كانت خلايا "إيبسلون 4/4" النجمية أكثر عرضة لامتصاص والاحتفاظ بهذا البروتين السام مقارنة بالخلايا التي لا تحتوي على الجين. ورغم أن كمية البروتين داخل كل خلية كانت متشابهة عبر المجموعات، فإن حقيقة أن المزيد من خلايا "إيبسلون 4/4" كانت تحتفظ به تشير إلى وجود مشكلة في كيفية معالجة هذه الأجزاء أو التخلص منها. علاوة على ذلك، أظهرت هذه الخلايا علامات إجهاد في آلياتها الداخلية، وتحديدًا في الجزء المسؤول عن طي وتعبئة البروتينات. هذا الإجهاد الداخلي، مقترنًا بالعجز عن إزالة الغلوتامات والإطلاق المستمر لإشارات الالتهاب، يرسم صورة لخلية دعم تعاني للحفاظ على التوازن الدقيق للدماغ.

تغير هذه النتائج فهمنا لكيفية بدء مرض ألزهايمر. فبدلاً من النظر إلى جين "إيبسلون 4" كعامل خطر سلبي يفشل ببساطة في حماية الدماغ، تشير الأدلة إلى أنه معطل نشط. يبدو أنه يستولي على تطور الخلايا النجمية، ويبقيها في حالة غير ناضجة، ومجهدة، وملتهبة. ومن خلال خلق بيئة سامة والفشل في تنظيف النفايات، قد تهيئ هذه الخلايا المسرح لتلف الخلايا العصبية الذي يميز المرض. وتشير الأبحاث إلى أن مسار ألزهايمر قد يبدأ مبكرًا في حياة خلايا الدعم هذه، قبل وقت طويل من ظهور فقدان الذاكرة. ورغم أن الدراسة أجريت في طبق مختبري وليس في جسم إنسان حي، إلا أن استخدام خلايا متطابقة جينيًا يوفر نظرة واضحة ومباشرة للضرر المحدد الذي يسببه هذا المتغير الجيني. ويشير العمل إلى أن العلاجات المستقبلية قد لا تحتاج فقط إلى تنظيف البروتينات السامة لألزهايمر، بل إلى تصحيح الخلل الوظيفي الجوهري في الخلايا النجمية التي تحمل جين "إيبسلون 4".