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

A doença de Alzheimer é uma condição progressiva que erode lentamente a memória e as habilidades de pensamento, deixando milhões de pessoas e suas famílias em busca de respostas. Embora o envelhecimento seja o maior fator de risco para o desenvolvimento da doença, a genética também desempenha um papel poderoso. Entre as diversas pistas genéticas que os cientistas encontraram, um gene específico chamado APOE destaca-se como o mais significativo. Este gene fornece instruções para a fabricação de uma proteína que ajuda a transportar gorduras e colesterol no céreino, agindo de forma semelhante a um caminhão de entrega para nutrientes essenciais. A maioria das pessoas carrega uma versão comum deste gene, mas algumas carregam uma variante conhecida como alelo epsilon 4. Ter duas cópias desta variante aumenta dramaticamente o risco de desenvolver Alzheimer, ao ponto de alguns pesquisadores considerarem uma forma genética distinta da doença.

Durante anos, os cientistas souberam que a variante epsilon 4 é perigosa, mas tiveram dificuldade em entender exatamente como ela causa danos. O cérebro é repleto de células de suporte chamadas astrócitos, que atuam como cuidadores dos neurônios, as células de comunicação do cérebro. Estes astrócitos produzem a proteína APOE, e não estava claro se a versão perigosa epsilon 4 simplesmente falhava em fazer o seu trabalho corretamente ou se ela tornava as coisas ativamente piores. Para resolver este enigma, os pesquisadores precisavam de uma forma de observar estas células a desenvolverem-se e a funcionarem num ambiente controlado, livre das variáveis complexas de um corpo humano vivo.

Uma equipa de cientistas do Instituto Cajal, na Espanha, deu agora um grande passo para responder a esta questão ao cultivar células cerebrais humanas numa placa de laboratório. Começaram com células da pele de pacientes com Alzheimer e de indivíduos saudáveis, transformando-as de volta num estado primitivo onde poderiam tornar-se qualquer tipo de célula. A partir daí, guiaram estas células para que amadurecessem em astrócitos. Para garantir que as suas descobertas se deviam estritamente ao código genético e não a outras diferenças entre as pessoas, utilizaram uma técnica poderosa para criar linhas "isogénicas". Isto significa que pegaram num único conjunto de células e editaram os genes para criar quatro versões distintas: uma com a variante protetora epsilon 2, uma com a comum epsilon 3, uma com a arriscada epsilon 4 e uma onde o gene APOE foi completamente removido. Isto permitiu-lhes comparar as células lado a lado, alterando apenas a instrução genética específica para a proteína APOE.

Os investigadores descobriram que a presença de duas cópias do alelo epsilon 4 alterava fundamentalmente a forma como estas células de suporte cerebral cresciam e comportavam-se. Mesmo antes de quaisquer sintomas da doença aparecerem, os astrócitos que carregavam a combinação epsilon 4/4 pareciam diferentes. Eram menores e mais compactos do que os seus homólogos. Mais importante ainda, falhavam em amadurecer totalmente. Enquanto os astrócitos saudáveis e aqueles com outras variantes genéticas desenvolviam marcadores específicos que indicam que estavam prontos para trabalhar, as células epsilon 4/4 mostravam uma queda significativa nas proteínas que normalmente sinalizam esta maturidade. Isto sugere que a variante de risco do gene interrompe o desenvolvimento normal destas células desde o início, impedindo-as de atingir o seu pleno potencial.

Além da sua aparência, os astrócitos epsilon 4/4 estavam também quimicamente desequilibrados. Num cérebro saudável, os astrócitos atuam como uma equipa de limpeza, removendo o excesso de glutamato, um sinal químico que os neurônios utilizam para comunicarem entre si. Se demasiado glutamato permanecer, pode tornar-se tóxico e danificar os neurônios. O estudo descobriu que os astrócitos epsilon 4/4 eram muito menos eficientes nesta tarefa de limpeza, deixando mais glutamato no ambiente. Ao mesmo tempo, estas células estavam num estado constante de alarme de baixo nível. Elas libertavam níveis mais elevados de um mensageiro químico chamado IL-6, que sinaliza inflamação, mesmo quando não havia uma ameaça externa presente. Isto sugere que as células epsilon 4/4 estão preparadas para serem inflamatórias, criando um ambiente hostil para os neurônios antes mesmo de a doença se instalar.

Quando os investigadores desafiaram estas células com gatilhos inflamatórios ou com a beta-amiloide, uma proteína tóxica fragmentada associada ao Alzheimer, as células reagiram de formas que revelaram a natureza específica do problema. Os astrócitos epsilon 4/4 desenvolveram ramos mais complexos quando expostos à inflamação, um sinal de reatividade, mas não mostraram a mesma resposta à beta-amiloide. Crucialmente, quando os investigadores observaram as células com o gene completamente removido, descobriram que muitas destas características negativas desapareceram. As células sem o gene não apresentaram a mesma redução de tamanho ou a mesma inflamação excessiva. Esta é uma distinção vital: prova que a variante epsilon 4 não está apenas a falhar em fazer um bom trabalho; ela está a fazer algo ativamente prejudicial. A própria proteína está a impulsionar estas mudanças, agindo como uma fonte de toxicidade em vez de ser simplesmente uma peça em falta no puzzle.

O estudo também examinou como estas células lidavam com a beta-amiloide. Os astrócitos epsilon 4/4 eram mais propensos a absorver e reter esta proteína tóxica em comparação com as células sem o gene. Embora a quantidade de proteína dentro de cada célula fosse semelhante entre os grupos, o facto de mais células epsilon 4/4 estarem a retê-la sugere um problema na forma como processam ou eliminam estes fragmentos. Além disso, estas células mostravam sinais de stress na sua maquinaria interna, especificamente na parte da célula responsável pelo dobramento e empacotamento de proteínas. Este esforço interno, combinado com a incapacidade de eliminar o glutamato e a libertação constante de sinais inflamatórios, pinta um quadro de uma célula de suporte que está a lutar para manter o delicado equilíbrio cerebral.

Estas descobertas alteram a compreensão de como o Alzheimer começa. Em vez de ver o gene epsilon 4 como um fator de risco passivo que simplesmente falha em proteger o cérebro, as evidências apontam para ele como um disruptor ativo. Parece sequestrar o desenvolvimento dos astrócitos, mantendo-os num estado imaturo, stressado e inflamatório. Ao criar um ambiente tóxico e falhar na limpeza de resíduos, estas células podem preparar o terreno para o dano neuronal que define a doença. A investigação sugere que o caminho para o Alzheimer pode começar cedo na vida destas células de suporte, muito antes da perda de memória se tornar evidente. Embora o estudo tenha sido realizado numa placa e não num ser humano vivo, o uso de células geneticamente correspondentes oferece um olhar claro e direto sobre o dano específico causado por esta variante do gene. O trabalho indica que os tratamentos futuros poderão ter de se focar não apenas na eliminação das proteínas tóxicas do Alzheimer, mas na correção da disfunção fundamental dos astrócitos que carregam o gene epsilon 4.