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

De ziekte van Alzheimer is een progressieve aandoening die langzaam het geheugen en de denkvaardigheden aantast, waardoor miljoenen mensen en hun families op zoek gaan naar antwoorden. Hoewel veroudering de grootste risicofactor is voor het ontwikkelen van de ziekte, speelt genetica ook een krachtige rol. Onder de diverse genetische aanwijzingen die wetenschappers hebben gevonden, valt een specif으로 gen genaamd APOE er als meest significante uit. Dit gen geeft instructies voor het maken van een eiwit dat helpt bij het transport van vetten en cholesterol in de hersenen, wat enigszins werkt als een bezorgwagen voor essentiële voedingsstoffen. De meeste mensen dragen een algemene versie van dit gen, maar sommigen dragen een variant die bekend staat als het epsilon 4-allel. Het bezitten van twee kopieën van deze variant verhoogt het risico op het ontwikkelen van Alzheimer drastisch, tot het punt waarop sommige onderzoekers het beschouwen als een afzonderlijke genetische vorm van de ziekte.

Jarenlang wisten wetenschappers dat de epsilon 4-variant gevaarlijk is, maar ze hadden moeite om precies te begrijpen hoe deze schade veroorzaakt. De hersenen zijn gevuld met ondersteunende cellen genaamd astrocyten, die fungeren als verzorgers voor neuronen, de communicatiecellen van de hersenen. Deze astrocyten produceren het APOE-eiwit, en het was onduidelijk of de gevaarlijke epsilon 4-versie simpelweg niet goed zijn werk deed, of dat het de boel actief erger maakte. Om dit puzzelstukje op te lossen, hadden onderzoekers een manier nodig om deze cellen te laten groeien en functioneren in een gecontroleerde omgeving, vrij van de complexe variabelen van een levend menselijk lichaam.

Een team van wetenschappers van het Instituto Cajal in Spanje heeft nu een belangrijke stap gezet richting het beantwoorden van deze vraag door menselijke hersencellen in een laboratoriumschaaltje te kweken. Ze begonnen met huidcellen van patiënten met de ziekte van Alzheimer en van gezonde individuen, en transformeerden deze terug naar een primitieve staat waarin ze elke type cel konden worden. Vanuit daar stuurden ze deze cellen aan om te rijpen tot astrocyten. Om ervoor te zorgen dat hun bevindingen strikt toe te schrijven waren aan de genetische code en niet aan andere verschillen tussen mensen, gebruikten ze een krachtige techniek om "isogene" lijnen te creëren. Dit betekent dat ze één enkele set cellen namen en de genen aanpasten om vier verschillende versies te creëren: één met de beschermende epsilon 2-variant, één met de algemene epsilon 3, één met de risicovolle epsilon 4, en één waarbij het APOE-gen volledig was verwijderd. Dit stelde hen in staat om de cellen zij aan zij te vergelijken, waarbij ze alleen de specifieke genetische instructie voor het APOE-eiwit veranderden.

De onderzoekers ontdekten dat de aanwezigheid van twee kopieën van het epsilon 4-allel de manier waarop deze ondersteunende hersencellen groeien en zich gedragen fundamenteel veranderde. Zelfs voordat er symptomen van de ziekte optraden, zagen de astrocyten die de epsilon 4/4-combinatie droegen er anders uit. Ze waren kleiner en compacter dan hun tegenhangers. Belangrijker nog, ze slaagden er niet in om volledig te rijpen. Terwijl gezonde astrocyten en die met andere genetische varianten specifieke markers ontwikkelden die aangeven dat ze klaar waren om te werken, vertoonden de epsilon 4/4-cellen een significante daling in de eiwitten die normaal gesproken deze rijpheid signaleren. Dit suggereert dat de risicovolle genvariant de normale ontwikkeling van deze cellen vanaf het begin verstoort, waardoor ze niet hun volledige potentieel bereiken.

Naast hun uiterlijk waren de epsilon 4/4-astrocyten ook chemisch uit balans. In een gezonde hersenen fungeren astrocyten als een schoonmaakploeg die overtollig glutamaat verwijdert, een chemisch signaal dat neuronen gebruiken om met elkaar te communiceren. Als er te veel glutamaat achterblijft, kan dit toxisch worden en de neuronen beschadigen. De studie vond dat de epsilon 4/4-astrocyten veel minder efficiënt waren in deze schoonmaaktaak, waardoor er meer glutamaat in de omgeving achterbleef. Tegelijkertijd waren deze cellen in een constante staat van lage alarmfase. Ze gaven hogere niveaus van een chemische boodschapper genaamd IL-6 af, die ontsteking signaleert, zelfs wanneer er geen externe dreiging aanwezig was. Dit suggereert dat de epsilon 4/4-cellen geprogrammeerd zijn om ontstekingsbevorderend te zijn, wat een vijandige omgeving creëert voor neuronen nog voordat de ziekte daadwerkelijk de kop opsteekt.

Toen de onderzoekers deze cellen uitdaagden met ontstekingsprikkels of met amyloïd-bèta, een toxisch eiwitfragment geassocieerd met de ziekte van Alzheimer, reageerden de cellen op manieren die de specifieke aard van het probleem onthulden. De epsilon 4/4-astrocyten kregen complexere vertakkingen wanneer ze werden blootgesteld aan ontsteking, een teken van reactiviteit, maar vertoonden niet dezelfde reactie op amyloïd-bèta. Cruciaal was dat toen de onderzoekers naar de cellen keken waarbij het gen volledig was verwijderd, ze merkten dat veel van deze negatieve eigenschappen verdwenen. De cellen zonder het gen vertoonden niet dezelfde verminderde grootte of dezelfde excessieve ontsteking. Dit is een essentieel onderscheid: het bewijst dat de epsilon 4-variant niet alleen simpelweg niet goed zijn werk doet, maar actief iets schadelijks doet. Het eiwit zelf drijft deze veranderingen aan, en fungeert als een bron van toxiciteit in plaats van slechts een ontbrekend puzzelstukje te zijn.

De studie onderzocht ook hoe deze cellen met amyloïd-bèta omgingen. De epsilon 4/4-astrocyten waren eerder geneigd om dit toxische eiwit op te nemen en vast te houden in vergelijking met de cellen zonder het gen. Hoewel de hoeveelheid eiwit in elke cel vergelijkbaar was over de verschillende groepen heen, suggereert het feit dat meer epsilon 4/4-cellen dit vasthielden een probleem met de manier waarop ze deze fragmenten verwerken of opruimen. Bovendien vertoonden deze cellen tekenen van stress in hun interne machinerie, specifelijk in het deel van de cel dat verantwoordelijk is voor het vouwen en verpakken van eiwitten. Deze interne spanning, gecombineerd met het onvermogen om glutamaat op te ruimen en de constante afgifte van ontstekingssignalen, schetst een beeld van een ondersteunende cel die worstelt om het delicate evenwicht in de hersenen te handhaven.

Deze bevindingen verschuiven het begrip van hoe Alzheimer begint. In plaats van het epsilon 4-gen te zien als een passieve risicofactor die simpelweg nalaat het brein te beschermen, wijst het bewijs erop dat het een actieve verstoorder is. Het lijkt de ontwikkeling van astrocyten te kapen, waardoor ze in een onrijpe, gestreste en ontstekingsgevoelige staat blijven. Door een toxische omgeving te creëren en het afvoeren van afval te verhinderen, kunnen deze cellen het toneel bereiden voor de neuronale schade die de ziekte kenmerkt. Het onderzoek suggereert dat het pad naar Alzheimer al vroeg in het leven van deze ondersteunende cellen kan beginnen, lang voordat geheugenverlies merkbaar wordt. Hoewel de studie in een schaaltje werd uitgevoerd en niet in een levend mens, biedt het gebruik van genetisch gematchte cellen een helder en direct kijkje in de specifieke schade die door deze genvariant wordt veroorzaakt. Het werk geeft aan dat toekomstige behandelingen zich niet alleen moeten richten op het opruimen van de toxische eiwitten van Alzheimer, maar op het corrigeren van de fundamentele disfunctie van de astrocyten die het epsilon 4-gen dragen.