MYD88-silencing hUCMSC-derived extracellular vesicles alleviate sepsis- associated encephalopathy by modulating neurovascular and microglial inflammation

Wanneer het lichaam een ernstige infectie bestrijdt, lanceert het immuunsysteem een massale verdediging om de dreiging te elimineren. Soms stopt deze verdediging echter niet wanneer de infectie voorbij is. In plaats daarvan blijft deze voortduren, waarbij het zich tegen de hersenen keert en een conditie veroorzaakt die bekend staat als sepsis-geassocieerde encefalopathie. Dit is geen directe infectie van de hersenen, maar een diffuse disfunctie waarbij de hersenen ontstoken raken, wat leidt tot verwarring, geheugenverlies en langdurige cognitieve achteruitgang. Het probleem is dat de huidige medische behandelingen zich richten op het stoppen van de initiële infectie en het ondersteunen van de organen van de patiënt, maar zij bieden geen manier om te voorkomen dat de hersenen blijven lijden zodra de patiënt heeft overleefd. Voor veel overlevers kan de mist van de 'brain fog' en het verlies van mentale scherpte jarenlang aanhouden, zonder dat er een gevestigde strategie is om de schade te herstellen.

Een team van onderzoekers heeft nu een specifieke moleculaire schakelaar geïdentificeerd die deze hersenontsteking gaande houdt lang nadat de infectie is verdwenen, en zij hebben een manier ontwikkeld om die schakelaar uit te zetten. De studie richt zich op een eiwit genaamd MYD88, dat fungeert als een centrale boodschapper voor het immuunsysteem. In gezonde hersenen helpt dit eiwit om een snelle reactie op gevaar te coördineren. Maar in muizen die een ernstige infectie hadden overleefd, ontdekten de onderzoekers dat MYD88 in de immuuncellen van de hersenen en in de cellen die de bloedvaten bekleden, in de "aan"-stand bleef staan. Dit aanhoudende signaal dreef een cyclus van ontsteking en oxidatieve stress aan die de delicate verbindingen tussen neuronen beschadigde en de barrière die de hersenen beschermt tegen de bloedbaan afbrak. Om dit te repareren, hebben de wetenschappers piepkleine, natuurlijke blaasjes ontwikkeld, extracellulaire vesikels genoemd, die zijn geoogst uit menselijke navelstrengstamcellen. Ze laadden deze blaasjes met een moleculair instrument dat ontworpen is om het MYD88-gen te stilleggen. Wanneer deze in de bloedbaan van geïnfecteerde muizen werden geïnjecteerd, reisden de gemodificeerde blaasjes naar de hersenen, drongen ze de immuuncellen binnen en schakelden ze het overactieve MYD88-signaal succesvol uit. Het resultaat was een herstel van de bloed-hersenbarrière, een afname van de hersenontsteking en een opmerkelijk herstel van het geheugen en het gedrag, wat wijst op een nieuwe weg om de langdurige effecten van sepsis te behandelen.

De reis naar deze ontdekking begon met het in kaart brengen van de tijdlijn van het herstel van de hersenen na een ernstige infectie. De onderzoekers gebruikten een standaard sepsis-model bij muizen, waarbij een kleine punctie in de darm een systemische infectie veroorzaakt. Ze wachtten tot de muizen de acute fase hadden overleefd en controleerden vervolgens hun hersenen op verschillende intervallen: één maand, drie maanden en zes maanden later. Ze ontdekten dat hoewel de meeste tekenen van de infectie vervaagden, de niveaus van het MYD88-eiwit in de immuuncellen en de cellen van de bloedvaten in de hersenen minstens een maand lang gevaarlijk hoog bleven. Deze verhoging was geen vluchtige piek, maar een aanhoudende staat die samenviel met de periode waarin de muizen tekenen van cognitieve problemen begonnen te vertonen. Door nauwkeurig naar het hersenweefsel te kijken, zagen het team dat dit overactieve eiwit aanwezig was in de cellen die de bloedvaten van de hersenen vormen en in de microglia, de residentiële immuuncellen van de hersenen. Dit suggereerde dat het probleem niet alleen in één deel van de hersenen zat, maar in de infrastructuur zelf die de hersenen veilig en functioneel houdt.

Om dit hardnekkige signaal aan te pakken, wenden de onderzoekers zich tot een leveringssysteem dat het lichaam al gebruikt om tussen cellen te communiceren. Ze verzamelden extracellulaire vesikels, die kleine, membraangebonden pakketjes zijn die van nature vrijkomen uit menselijke navelstrengstamcellen. Deze vesikels zijn klein genoeg om door de bloedbaan te reizen en kunnen ladingen zoals eiwitten en genetisch materiaal van de ene cel naar de andere vervoeren. Het team heeft deze vesikels zo aangepast dat ze een specifieke set instructies dragen die ontworpen zijn om het MYD88-gen te stilleggen. Ze gebruikten een proces genaamd elektroporatie, waarbij een korte elektrische puls wordt gebruikt om de genetische instructies in de vesikels te duwen zonder ze te beschadigen. Voordat ze dit in levende dieren testten, bevestigden ze dat de vesikels hun lading konden beschermen tegen afbraak door enzymen in het bloed en dat ze succesvol de hersencellen konden binnendringen om het MYD88-signaal omlaag te brengen. Ze verifieerden ook dat deze gemodificeerde vesikels de bloed-hersenbarrière konden passeren, een nauw gecontroleerde muur die normaal gesproken grote moleculen buiten de hersenen houdt, en dat ze door de microglia werden opgenomen zodra ze binnen waren.

Met het leveringssysteem gereed, gingen de onderzoekers over naar de behandelingsfase. Ze wachtten tot drie dagen nadat de muizen de infectie hadden overleefd, een punt waarop de acute crisis voorbij was maar de hersenschade al gaande was. Vervolgens injecteerden ze de gemodificeerde vesikels één keer per dag gedurende zes dagen in de staartaders van de muizen. Deze timing was cruciaal omdat het testte of de behandeling schade die al was begonnen kon omkeren, in plaats van het alleen maar te voorkomen. De resultaten waren spectaculair. De muizen die de MYD88-stilleggende vesikels ontvingen, vertoonden een significante afname van de lekkage van hun bloed-hersenbarrière, een teken dat de beschermende muur was gerepareerd. In tegenstelling hiertoe vertoonden de muizen die ongewijzigde vesikels ontvingen of geen behandeling kregen, nog steeds tekenen van een lekkende barrière. De behandeling verlaagde ook de niveaus van MYD88 in de bloedvaten en immuuncellen van de hersenen, waardoor het ontstekingssignaal dat de schade aanjoeg, effectief werd getemperd.

De voordelen van deze behandeling strekten zich diep uit in de structuur van de hersenen. Wanneer de onderzoekers de hippocampus onderzochten, het gebied dat verantwoordelijk is voor het geheugen, onder een krachtige microscoop, zagen ze dat de onbehandelde muizen mitochondria hadden — de energiecentrales van de cel — die opgezwollen en beschadigd waren. De verbindingen tussen neuronen, bekend als synapsen, waren ook dun en ongeorganiseerd. Bij de muizen die behandeld waren met de gemodificeerde vesikels, zagen deze structuren er veel gezonder uit. De mitochondria herstelden hun normale vorm en de synaptische verbindingen waren dikker en robuuster, vergelijkbaar met die van gezonde, niet-geïnfecteerde muizen. Dit structurele herstel ging gepaard met een verschuiving in de chemische omgeving van de hersenen. De behandeling verminderde de productie van schadelijke ontstekingsmoleculen en herstelde de niveaus van natuurlijke antioxidanten die cellen beschermen tegen stress. Het stimuleerde de immuuncellen van de hersenen ook om over te schakelen van een staat van constante aanval naar een staat van herstel, wat werd gekenmerkt door een toename van een eiwit genaamd TREM2, dat cellen helpt bij het opruimen van afval en het genezen van weefsel.

Ten slotte vroegen de onderzoekers zich af of deze biologische veranderingen vertaalden naar verbeteringen in de echte wereld wat betreft hoe de muizen dachten en zich gedroegen. Ze onderwierpen de muizen aan een reeks tests die ontworpen waren om angst, ruimtelijk geheugen en het vermogen om nieuwe objecten te herkennen te meten. De onbehandelde muizen, ondanks dat ze de infectie hadden overleefd, gedroegen zich alsof ze angstig waren, vermeden het midden van open ruimtes en hadden moeite om te onthouden waar ze waren geweest of om nieuwe items te herkennen. De muizen die met de gemodificeerde vesikels waren behandeld, gedroegen zich echter bijna als gezonde muizen. Ze verkenden hun omgeving met vertrouwen, herinnerden zich de locatie van een verborgen ontsnappingsbox in een doolhof en toonden een duidelijke voorkeur voor nieuwe objecten boven bekende objecten. De behandeling verminderde niet alleen de ontsteking; het herstelde het vermogen van de muizen om te leren en te onthouden, waardoor de cognitieve tekorten die typisch volgen op een ernstige infectie, werden omgekeerd.

Deze studie suggereert dat de sleutel tot het behandelen van de langdurige hersenschade veroorzaakt door sepsis kan liggen in het stilleggen van een specifiek moleculair signaal dat het immuunsysteem in een overdrive houdt. Door gemodificeerde vesikels te gebruiken om een gerichte genetische tool toe te dienen, waren de onderzoekers in staat de ontsteking te stoppen, de bloed-hersenbarrière te repareren en de structuur en functie van de hersenen te herstellen. Hoewel dit werk bij muizen is uitgevoerd, wijst het op een potentiële nieuwe strategie voor de humane geneeskunde: een celvrije therapie die kan worden toegediend nadat de initiële infectie onder controle is om te voorkomen dat de hersenen langdurige gevolgen ondervinden. De aanpak biedt een manier om een specifiek intracellulair eiwit aan te pakken dat moeilijk te bereiken is met traditionele medicijnen, wat de deur opent naar behandelingen die overlevers van sepsis kunnen helpen hun mentale scherpte en kwaliteit van leven terug te krijgen.