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

Die Alzheimer-Krankheit ist eine fortschreitende Erkrankung, die langsam das Gedächtnis und die Denkfähigkeiten zermürbt und Millionen von Menschen und deren Familien auf der Suche nach Antworten zurücklässt. Während das Alter der größte Risikofaktor für die Entwicklung der Krankheit ist, spielt auch die Genetik eine kraftvolle Rolle. Unter den verschiedenen genetischen Hinweisen, die Wissenschaftler gefunden haben, sticht ein spezifisches Gen namens APOE als das bedeutendste hervor. Dieses Gen liefert die Anweisungen für die Herstellung eines Proteins, das hilft, Fette und Cholesterin im Gehirn zu transportieren, und fungiert gewissermaßen wie ein Lieferwagen für lebensnotwendige Nährstoffe. Die meisten Menschen tragen eine gewöhnliche Version dieses Gens, aber einige tragen eine Variante, die als Epsilon-4-Allel bekannt ist. Das Tragen von zwei Kopien dieser Variante erhöht das Risiko, an Alzheimer zu erkranken, drastisch – so sehr, dass einige Forscher sie als eine eigenständige genetische Form der Krankheit betrachten.

Jahrelang wussten Wissenschaftler, dass die Epsilon-4-Variante gefährlich ist, aber sie hatten Schwierigkeiten zu verstehen, wie genau sie Schaden anrichtet. Das Gehirn ist gefüllt mit Stützzellen namens Astrozyten, die als Pfleger für Neuronen fungieren, den Kommunikationszellen des Gehirns. Diese Astrozyten produzieren das APOE-Protein, und es war unklar, ob die gefährliche Epsilon-4-Version einfach nur ihre Aufgabe nicht korrekt erfüllte oder ob sie die Dinge aktiv verschlimmerte. Um dieses Rätsel zu lösen, mussten die Forscher einen Weg finden, diese Zellen in einer kontrollierten Umgebung wachsen zu sehen und zu beobachten, frei von den komplexen Variablen eines lebenden menschlichen Körpers.

Ein Team von Wissenschaftlern am Instituto Cajal in Spanien hat nun einen großen Schritt zur Beantwortung dieser Frage gemacht, indem sie menschliche Gehirnzellen in einer Laborschale gezüchtet haben. Sie begannen mit Hautzellen von Patienten mit Alzheimer und von gesunden Personen und führten diese in einen primitiven Zustand zurück, in dem sie zu jedem beliebigen Zelltyp werden konnten. Von dort aus leiteten sie diese Zellen dazu an, zu Astrozyten heranzureifen. Um sicherzustellen, dass ihre Ergebnisse streng auf dem genetischen Code basierten und nicht auf anderen Unterschieden zwischen Menschen, verwendeten sie eine leistungsstarke Technik, um „isogene“ Linien zu erstellen. Das bedeutet, sie nahmen einen einzigen Zellsatz und editierten die Gene, um vier verschiedene Versionen zu erschaffen: eine mit der schützenden Epsilon-2-Variante, eine mit dem gewöhnlichen Epsilon-3, eine mit dem riskanten Epsilon-4 und eine, bei der das APOE-Gen vollständig entfernt wurde. Dies ermöglichte es ihnen, die Zellen direkt miteinander zu vergleichen, wobei nur die spezifische genetische Anweisung für das APOE-Protein geändert wurde.

Die Forscher entdeckten, dass das Vorhandensein von zwei Kopien des Epsilon-4-Allels die Art und Weise, wie diese Gehirnstützzellen wuchsen und sich verhielten, grundlegend veränderte. Schon bevor Symptome der Krankheit auftraten, sahen die Astrozyten, die die Epsilon-4/4-Kombination trugen, anders aus. Sie waren kleiner und kompakter als ihre Gegenstücke. Wichtiger noch: Sie reiften nicht vollständig aus. Während gesunde Astrozyten und jene mit anderen genetischen Varianten spezifische Marker entwickelten, die anzeigen, dass sie bereit zur Arbeit sind, zeigten die Epsilon-4/4-Zellen einen signifikanten Rückgang der Proteine, die normalerweise diese Reife signalisieren. Dies deutet darauf hin, dass die riskante Genvariante die normale Entwicklung dieser Zellen von Anfang an stört und sie daran hindert, ihr volles Potenzial auszuschöpfen.

Über ihr Aussehen hinaus waren die Epsilon-4/4-Astrozyten auch chemisch aus dem Gleichgewicht. In einem gesunden Gehirn fungieren Astrozyten als Reinigungstrupp, der überschüssiges Glutamat entfernt, einen chemischen Botenstoff, den Neuronen nutzen, um miteinander zu kommunizieren. Wenn zu viel Glutamat zurückbleibt, kann es toxisch werden und die Neuronen schädigen. Die Studie fand heraus, dass die Epsilon-4/4-Astrozyten bei dieser Reinigungsaufgabe viel weniger effizient waren, wodurch mehr Glutamat in der Umgebung verblieb. Gleichzeitig befanden sich diese Zellen in einem Zustand ständiger, niedriggradiger Alarmbereitschaft. Sie gaben höhere Mengen eines chemischen Botenstoffs namens IL-6 ab, der Entzündungen signalisiert, selbst wenn keine äußere Bedrohung vorhanden war. Dies deutet darauf hin, dass die Epsilon-4/4-Zellen darauf programmiert sind, entzündungsfördernd zu wirken und eine feindselige Umgebung für Neuronen zu schaffen, noch bevor die Krankheit überhaupt richtig einsetzt.

Als die Forscher diese Zellen mit entzündlichen Reizen oder mit Amyloid-Beta, einem toxischen Proteinfragment, das mit Alzheimer in Verbindung gebracht wird, konfrontierten, reagierten die Zellen auf eine Weise, die die spezifische Natur des Problems offenbarte. Die Epsilon-4/4-Astrozyten entwickelten komplexere Verzweigungen, wenn sie Entzündungen ausgesetzt wurden – ein Zeichen von Reaktivität –, zeigten jedoch nicht dieselbe Reaktion auf Amyloid-Beta. Entscheidend war, dass, als die Forscher die Zellen betrachteten, bei denen das Gen vollständig entfernt worden war, viele dieser negativen Eigenschaften verschwanden. Die Zellen ohne das Gen zeigten nicht dieselbe verringerte Größe oder die gleiche übermäßige Entzündung. Dies ist ein wesentlicher Unterschied: Es beweist, dass die Epsilon-4-Variante nicht nur ihre Arbeit nicht gut macht, sondern aktiv etwas Schädliches tut. Das Protein selbst treibt diese Veränderungen voran und wirkt als Quelle der Toxizität, statt nur ein fehlendes Puzzleteil zu sein.

Die Studie untersuchte auch, wie diese Zellen mit Amyloid-Beta umgingen. Die Epsilon-4/4-Astrozyten neigten eher dazu, dieses toxische Protein aufzunehmen und zu behalten, im Vergleich zu Zellen ohne das Gen. Obwohl die Menge des Proteins in jeder Zelle über die Gruppen hinweg ähnlich war, deutet die Tatsache, dass mehr Epsilon-4/4-Zellen es festhielten, auf ein Problem bei der Verarbeitung oder dem Abbau dieser Fragmente hin. Darüber hinaus zeigten diese Zellen Anzeichen von Stress in ihrer internen Maschinerie, speziell in dem Teil der Zelle, der für die Faltung und Verpackung von Proteinen verantwortlich ist. Diese interne Belastung, kombiniert mit der Unfähigkeit, Glutamat zu klären, und der ständigen Freisetzung von Entzündungssignalen, zeichnet das Bild einer Stützzelle, die darum kämpft, das empfindliche Gleichgewicht des Gehirns aufrechtzuerhalten.

Diese Erkenntnisse verschieben das Verständnis darüber, wie Alzheimer beginnt. Anstatt das Epsilon-4-Gen als passiven Risikofaktor zu betrachten, der einfach nur die Fähigkeit verliert, das Gehirn zu schützen, deuten die Beweise darauf hin, dass es ein aktiver Störfaktor ist. Es scheint die Entwicklung der Astrozyten zu kapern und sie in einem unreifen, gestressten und entzündlichen Zustand zu halten. Indem sie eine toxische Umgebung schaffen und Abfall nicht ordnungsgemäß beseitigen, könnten diese Zellen den Boden für die neuronale Schädigung bereiten, die die Krankheit definiert. Die Forschung legt nahe, dass der Weg zu Alzheimer bereits früh in der Lebensspanne dieser Stützzellen beginnen kann, lange bevor ein Gedächtnisverlust offensichtlich wird. Obwohl die Studie in einer Schale und nicht in einem lebenden Menschen durchgeführt wurde, bietet die Verwendung genetisch gleicher Zellen einen klaren und direkten Blick auf den spezifischen Schaden, der durch diese Genvariante verursacht wird. Die Arbeit deutet darauf hin, dass zukünftige Behandlungen sich nicht nur darauf konzentrieren müssen, die toxischen Proteine von Alzheimer zu beseitigen, sondern auch darauf, die grundlegende Dysfunktion der Astrozyten zu korrigieren, die das Epsilon-4-Gen tragen.