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

L'Alzheimer è una condizione progressiva che erode lentamente la memoria e le capacità di pensiero, lasciando milioni di persone e le loro famiglie alla ricerca di risposte. Sebbene l'invecchiamento sia il principale fattore di rischio per lo sviluppo della malattia, anche la genetica gioca un ruolo potente. Tra i vari indizi genetici che gli scienziati hanno trovato, un gene specifico chiamato APOE si distingue come il più significativo. Questo gene fornisce le istruzioni per produrre una proteina che aiuta a trasportare grassi e colesterolo nel cervello, agendo in modo simile a un camion per la consegna di nutrienti essenziali. La maggior parte delle persone possiede una versione comune di questo gene, ma alcune portano una variante nota come allele epsilon 4. Avere due copie di questa variante aumenta drasticamente il rischio di sviluppare l'Alzheimer, al punto che alcuni ricercatori la considerano una forma genetica distinta della malattia.

Per anni, gli scienziati hanno saputo che la variante epsilon 4 è pericolosa, ma hanno faticato a capire esattamente come causi danni. Il cervello è pieno di cellule di supporto chiamate astrociti, che agiscono come custodi dei neuroni, le cellule di comunicazione del cervello. Questi astrociti producono la proteina APOE, ed era poco chiaro se la pericolosa versione epsilon 4 si limitasse a non svolgere correttamente il proprio compito o se rendesse attivamente le cose peggiori. Per risolvere questo enigma, i ricercatori avevano bisogno di un modo per osservare queste cellule svilupparsi e funzionare in un ambiente controllato, libero dalle complesse variabili di un corpo umano vivente.

Un team di scienziati dell'Instituto Cajal in Spagna ha compiuto ora un passo importante verso la risposta a questa domanda, coltivando cellule cerebrali umane in una piastra da laboratorio. Sono partiti da cellule della pelle di pazienti affetti da Alzheimer e da individui sani, riportandole a uno stato primitivo in cui potevano diventare qualsiasi tipo di cellula. Da lì, hanno guidato queste cellule a maturare in astrociti. Per garantire che le loro scoperte fossero dovute strettamente al codice genetico e non ad altre differenze tra le persone, hanno utilizzato una potente tecnica per creare linee "isogeniche". Ciò significa che hanno preso un singolo set di cellule e hanno modificato i geni per creare quattro versioni distinte: una con la variante protettiva epsilon 2, una con la comune epsilon 3, una con la rischiosa epsilon 4 e una in cui il gene APOE era stato completamente rimosso. Questo ha permesso loro di confrontare le cellule fianco a fianco, cambiando solo l'istruzione genetica specifica per la proteina APOE.

I ricercatori hanno scoperto che la presenza di due copie dell'allele epsilon 4 altera fondamentalmente il modo in cui queste cellule di supporto cerebrale crescono e si comportano. Ancora prima che comparissero i sintomi della malattia, gli astrociti che portavano la combinazione epsilon 4/4 apparivano diversi. Erano più piccoli e più compatti rispetto ai loro corrispettivi. Più importante ancora, non riuscivano a maturare completamente. Mentre gli astrociti sani e quelli con altre varianti genetiche sviluppavano marcatori specifici che indicano che erano pronti a lavorare, le cellule epsilon 4/4 mostravano un calo significativo nelle proteine che di solito segnalano questa maturità. Ciò suggerisce che la variante genetica rischiosa interrompa lo sviluppo normale di queste cellule fin dall'inizio, impedendo loro di raggiungere il loro pieno potenziale.

Oltre al loro aspetto, gli astrociti epsilon 4/4 erano anche chimicamente sbilanciati. In un cervello sano, gli astrociti agiscono come una squadra di pulizia, rimuovendo l'eccesso di glutammato, un segnale chimico che i neuroni usano per comunicare tra loro. Se troppo glutammato rimane nell'ambiente, può diventare tossico e danneggiare i neuroni. Lo studio ha scoperto che gli astrociti epsilon 4/4 erano molto meno efficienti in questo compito di pulizia, lasciando più glutammato nell'ambiente. Allo stesso tempo, queste cellule erano in uno stato di costante allarme di basso livello. Rilasciavano livelli più elevati di un messaggero chimico chiamato IL-6, che segnala l'infiammazione, anche in assenza di una minaccia esterna. Ciò suggerisce che le cellule epsilon 4/4 siano predisposte all'infiammazione, creando un ambiente ostile per i neuroni prima ancora che la malattia inizi a manifestarsi.

Quando i ricercatori hanno messo alla prova queste cellule con stimoli infiammatori o con la beta-amiloide, un frammento proteico tossico associato all'Alzheimer, le cellule hanno reagito in modi che hanno rivelato la natura specifica del problema. Gli astrociti epsilon 4/4 mostravano rami più complessi quando esposti all'infiammazione, un segno di reattività, ma non mostravano la stessa risposta alla beta-amiloide. Fondamentalmente, quando i ricercatori hanno esaminato le cellule con il gene completamente rimosso, hanno scoperto che molti di questi tratti negativi erano scomparsi. Le cellule senza il gene non mostravano lo stesso ridotto volume o la stessa infiammazione eccessiva. Questa è una distinione vitale: dimostra che la variante epsilon 4 non sta solo fallendo nel fare un buon lavoro; sta attivamente facendo qualcosa di dannoso. La proteina stessa sta guidando questi cambiamenti, agendo come una fonte di tossicità piuttosto che come un semplice pezzo mancante del puzzle.

Lo studio ha anche esaminato come queste cellule gestivano la beta-amiloide. Gli astrociti epsilon 4/4 erano più propensi ad assorbire e trattenere questa proteina tossica rispetto alle cellule senza il gene. Sebbene la quantità di proteina all'interno di ogni cellula fosse simile tra i gruppi, il fatto che più cellule epsilon 4/4 la trattenessvano suggerisce un problema con il modo in cui esse processano o eliminano questi frammenti. Inoltre, queste cellule mostravano segni di stress nel loro macchinario interno, specificamente nella parte della cellula responsabile del ripiegamento e dell'imballaggio delle proteine. Questa tensione interna, unita all'incapacità di eliminare il glutammato e al rilascio costante di segnali infiammatori, dipinge l'immagine di una cellula di supporto che fatica a mantenere il delicato equilibrio cerebrale.

Queste scoperte spostano la comprensione di come l'Alzheimer abbia inizio. Invece di considerare il gene epsilon 4 come un fattore di rischio passivo che semplicemente non riesce a proteggere il cervello, le prove indicano che esso è un elemento di disturbo attivo. Sembra che esso dirotti lo sviluppo degli astrociti, mantenendoli in uno stato immaturo, stressato e infiammato. Creando un ambiente tossico e non riuscendo a eliminare i rifiuti, queste cellule possono preparare il terreno per il danno neuronale che definisce la malattia. La ricerca suggerisce che il percorso verso l'Alzheimer possa iniziare precocemente nella vita di queste cellule di supporto, molto prima che diventi evidente la perdita di memoria. Sebbene lo studio sia stato condotto in una piastra e non in un essere umano vivente, l'uso di cellule geneticamente corrispondenti fornisce una visione chiara e diretta del danno specifico causato da questa variante genetica. Il lavoro indica che i futuri trattamenti potrebbero dover concentrarsi non solo sulla rimozione delle proteine tossiche dell'Alzheimer, ma sul correggere la disfunzione fondamentale degli astrociti che portano il gene epsilon 4.