Friedreich Ataxia iPSC-derived microglia display an interferon-responsive, antigen-presenting, and inflammasome-associated state with lysosomal biology and extracellular matrix abnormalities

Friedreich-ataxie is een verwoestende genetische aandoening die mensen langzaam hun vermogen om te bewegen en hun lichaam te coördineren ontneemt. Het komt voort uit een fout in een enkele gen die het lichaam verhindert genoeg van een eiwit genaamd frataxine aan te maken. Dit eiwit is essentieel voor de functionering van de minuscule energiecentrales in onze cellen, bekend als mitochondriën. Zonder dit eiwit worstelen deze energiecentrales, wat leidt tot een cascade van cellulaire defecten die uiteindelijk specifieke zenuwcellen verantwoordelijk voor balans en beweging vernietigen. Decennialang lag de medische focus bijna volledig op deze stervende zenuwcellen, waarbij ze werden beschouwd als de primaire slachtoffers van de ziekte. Het zenuwstelsel is echter een complexe gemeenschap, en de cellen die de neuronen ondersteunen en beschermen zijn net zo vitaal. Onder deze ondersteuners behoren microglia, de immuuncellen van de hersenen. Hun taak is om orde te handhaven, puin op te ruimen en te reageren op letsel. Recente aanwijzingen suggereren dat bij Friedreich-ataxie deze bewakers niet alleen reageren op de schade, maar ook daadwerkelijk deel uitmaken van het probleem, door zich tegen de cellen te keren die ze juist moeten beschermen.

Een team van onderzoekers aan McGill University wilde precies begrijpen hoe dit gebeurt. Ze wilden weten of het gebrek aan frataxine alleen al voldoende was om het gedrag van microglia te veranderen, nog voordat er zenuwcellen begonnen te sterven. Om het antwoord te vinden, maakten ze gebruik van een krachtig instrument waarmee wetenschappers menselijke cellen in een schaaltje kunnen bestuderen: geïnduceerde pluripotente stamcellen. Dit zijn cellen die kunnen worden gestuurd om elk type weefsel in het lichaam te worden. De onderzoekers namen huidcellen van patiënten met Friedreich-ataxie en programmeerden deze om tot stamcellen. Vervolgens begeleidde hen deze stamcellen om microglia te worden. Cruciaal was dat ze ook een controlegroep creëerden door de genen van deze zelfde cellen te bewerken om de ziekteveroorzakende mutatie te verwijderen, waardoor een perfecte genetische match ontstond die de fout miste. Dit stelde hen in staat om de twee groepen zij aan zij te vergelijken, zodat werd gewaarborgd dat de gevonden verschillen uitsluitend te wijten waren aan het ontbrekende frataxine-eiwit en niet aan andere variabelen.

De onderzoekers kweekten deze microglia onder rustige, stille omstandigheden, zonder externe infecties of verwondingen te introduceren die normaal gesproken een immuunrespons zouden triggeren. Ze wilden zien wat de cellen op eigen kracht deden. Wanneer ze de genetische instructies binnen de cellen analyseerden, vonden ze een verbijsterend verschil. De microglia van de patiënten waren al in een staat van hoge paraatheid, zelfs terwijl ze zich in een vredige omgeving bevonden. Hun genetische activiteit vertoonde een duidelijke signatuur van een immuunsysteem dat geactiveerd was. Specifiek gedroegen deze cellen zich alsof ze een infectie bestreden, waarbij ze een vloedgolf aan signalen produceerden die bekend staan als interferonen, die normaal gesproken worden gebruikt om het lichaam te waarschuwen voor virale dreigingen. Ze vertoonden ook eiwitten op hun oppervlak die fungeren als vlaggen, een proces dat gewoonlijk is voorbehouden aan het presenteren van vreemde indringers aan het immuunsysteem. Dit suggereerde dat de cellen niet alleen reageerden op de buitenwereld, maar intern geprimed waren voor een gevecht.

Bij nadere bestudering ontdekten het team dat deze interne alarmbel werd gedreven door een specifieke set moleculaire machines genaamd inflammasomen. Dit zijn complexe structuren binnen cellen die fungeren als sensoren voor gevaar. Wanneer ze gevaar detecteren, assembleren ze tot een grote, multifunctionele machine die de afgifte van krachtige ontstekingschemicaliën triggert. De onderzoekers ontdekten dat de patiënt-microglia aanzienlijk hogere niveaus hadden van twee specifieke soorten van deze machines, bekend als NLRP2 en NLRP3. Bovendien observeerden ze dat de componenten van deze machines actief samenkwamen, waarbij ze grote clusters vormden die nodig zijn om te kunnen functioneren. Deze assemblage ging gepaard met een toename van de actieve vormen van een sleutelenzym dat ontstekingssignalen doorsnijdt en vrijgeeft. Kortom, de cellen hadden hun eigen wapens gebouwd en waren klaar om te vuren, allemaal zonder externe provocatie.

De studie onthulde ook dat de interne machinerie van deze cellen moeite had. De microglia vertoonden tekenen van problemen met hun lysosomen, de recyclingcentra van de cel die verantwoordelijk zijn voor het afbreken van afval en beschadigde onderdelen. De onderzoekers vonden dat de eiwitten waaruit deze recyclingcentra bestaan, verminderd waren, wat suggereerde dat de cellen moeite hadden met het opruimen van hun eigen interne rommel. Dit onvermogen om cellulair afval op te ruimen, is waarschijnlijk een belangrijke factor in het houden van het immuunsysteem in een constante staat van alarm. Daarnaast scheidden de cellen een andere mix van eiwitten uit naar hun omgeving vergeleken met gezonde cellen. Ze gaven hoge concentraties ontstekingschemicaliën af die nabijgelegen weefsel kunnen beschadigen, terwijl ze minder van de eiwitten produceerden die cellen helpen zich aan hun omgeving en aan elkaar te hechten. Deze combinatie van interne disfunctie en externe agressie schetst een beeld van een cel die zowel verward als gevaarlijk is.

Een van de meest intrigerende bevindingen was het gedrag van een specifiek gen genaamd MEG3. Dit gen, dat een type RNA produceert dat niet codeert voor een eiwit maar in plaats daarvan andere genen reguleert, stond op een hoog niveau in de patiënt-microglia. De onderzoekers merkten op dat ditzelfde gen ook overactief was gevonden in hartspiercellen van patiënten met dezelfde ziekte, en dat het temperen van dit gen in die hartcellen hielp om te overleven. Dit suggereert dat MEG3 een gemeenschappelijke draad kan zijn die de verschillende manieren verbindt waarop de ziekte het lichaam beïnvloedt, werkend als een gedeeld mechanisme dat schade in meerdere typen cellen aanjaagt.

De implicaties van deze bevindingen zijn aanzienlijk voor hoe we denken over de behandeling van Friedreich-ataxie. De studie toont aan dat de immuuncellen in de hersenen niet louter passieve toeschouwers zijn die wachten tot de zenuwcellen sterven; ze zijn actieve deelnemers aan het ziekteproces, gedreven door hun eigen interne genetische defecten. Het gebrek aan frataxine is voldoende om deze beschermende cellen te veranderen in agenten van ontsteking. Dit suggereert dat er een venster van kans bestaat in een vroeg stadium van de ziekte, wellicht zelfs voordat de zenuwcellen tekenen van falen vertonen, waarbij het gericht aanpakken van deze overactieve microglia het verloop van de aandoening kan vertragen of stoppen. Door de specifieke moleculaire schakelaars te begrijpen die in deze cellen worden omgezet, zoals de inflammasoom-machines of het MEG3-gen, kunnen wetenschappers mogelijk therapieën ontwerpen die het immuunsysteem kalmeren en het zenuwstelsel van binnenuit beschermen. Het werk biedt een heldere kaart van de cellulaire veranderingen die optreden wanneer frataxine ontbreekt, en biedt nieuwe doelwitten voor toekomstige behandelingen die op een dag het verloop van deze meedogenloze ziekte zouden kunnen veranderen.