Энергоэффективность мозга, болезнь Альцгеймера и генетика
Одна из особенностей болезни Альцгеймера – повышенный уровень бета-амилоидов или клубки тау-белков. Казалось бы, можно снизить или вовсе «зачистить» мозг от провокаторов и станет лучше! Вот только когда вводили лекарство, симптомы заболевания резко прогрессировали. Все дело в том, что болезнь Альцгеймера растет корнями в генетику и клеточный метаболизм. И впервые в истории, человечество вплотную приблизилось к первопричине болезни Альцгеймера.
Генетика и болезнь Альцгеймера
Новое исследование описывает, как вариант гена APOE4 нарушает энергетический баланс мозга, блокируя способность нейронов сжигать жир в качестве топлива при низком уровне глюкозы. Это открытие предлагает новые, эффективные способы предотвращения или замедления болезни Альцгеймера. Более того, буквально на прошлой неделе этот же ген освещался в исследовании, продемонстрировавшем пользу кето-диеты при болезни Альцгеймера.
Суть в том, что каждый человек наследует две копии гена APOE, по одной от каждого родителя. Этот ген имеет несколько версий, или аллелей: APOE2, APOE3 и APOE4. Из них, именно APOE3 считается наиболее распространённым и относительно нейтральным, а вот APOE4 значительно повышает риск развития болезни Альцгеймера по мере старения.
Учёные годами знали об этой связи, но не знали о механизме, лежащем в её основе. Новое исследование, совместно проведённое Университетом Орхуса (Дания) и Центром Макса Дельбрюка (Германия), выявило механизм, посредством которого APOE4 вызывает повреждение мозга.
Способность использовать глюкозу снижается в стареющем мозге, что вынуждает нервные клетки использовать альтернативные источники энергии. APOE4, по-видимому, блокирует использование нервными клетками липидов в качестве альтернативного источника энергии при снижении поступления глюкозы.
Автор-корреспондент Томас Уиллноу, профессор кафедры биомедицины.
Болезнь Альцгеймера и метаболизм мозга
Глюкоза — основной источник энергии для мозга, помогающий нейронам коммуницировать, восстанавливаться и поддерживать нормальную работоспособность. Но в отличие от других органов, мозг не может запасать много глюкозы, поэтому напрямую зависит от постоянного поступления глюкозы из кровотока и тонко настроенной системы, преобразующей глюкозу в полезную энергию внутри клеток. С возрастом эта система становится менее эффективной. Усвоение глюкозы и её метаболизм постепенно снижаются, что приводит к незначительному дефициту энергии, который может ухудшить память и когнитивные способности.
Здесь стоит сделать ремарку. Про метаболизм мозга, работу митохондрий, важность энергобаланса и, конечно же, про способы поддержать все это вместе, делал перевод в двух частях: первая и вторая. В основе – лекция профессора нейробиологии и офтальмологии Стэнфордской школы медицины, доктора Эндрю Губермана.
При болезни Альцгеймера упомянутый энергетический кризис усугубляется: нейроны теряют способность эффективно использовать глюкозу даже при нормальном уровне сахара в крови. Исследования с помощью нейровизуализации неизменно демонстрируют снижение метаболизма глюкозы в областях, ответственных за обучение и память, что позволяет предположить, что этот «энергетический дефицит» может быть одним из самых ранних и разрушительных проявлений болезни.
Понимание причин и следственных связей
Чтобы разобраться в причинах этого спада, исследователи использовали как мозговую ткань человека, речь про выращенные в лаборатории органоиды мозга, и генетически модифицированных мышей. Ученые сравнили клетки, несущие ген APOE3 (нормальную версию), и клетки, несущие ген APOE4 (версию высокого риска). Они изучили, как эти версии влияют на переработку жиров в клетках мозга – поддержка липидного обмена, на функцию нейронов и глиальных клеток, особенно астроцитов и микроглии, и на накопление тау-белков и бета-амилоида – двух характерных белков, которые скапливаются в мозге при болезни Альцгеймера.
Было обнаружено, что APOE4 вызывает накопление токсичных липидов. В норме APOE способствует транспортировке холестерина и других жиров по мозгу. Однако APOE4 нарушает транспорт липидов, что приводит к накоплению жира внутри нейронов. Это накопление создает нагрузку на нейроны, делая их более уязвимыми к повреждениям. Переизбыток жира в астроцитах и микроглии активирует воспалительные процессы. Хроническое воспаление мозга способствует гибели нейронов и усугубляет рост того же бета-амилоида и тау-белков.
APOE4 также нарушает работу лизосом – механизма утилизации отходов в мозге. В результате токсичные белки и повреждённые жиры не выводятся эффективно, что ускоряет дегенерацию. Структурный анализ показал, что изменённая форма APOE4 делает его склонным к аномальному прилипанию к клеточным мембранам и липидам. Эта структурная нестабильность становится причиной нарушений энергообмена мозга.
Используя модели трансгенных мышей и модели клеток человеческого мозга, полученные из стволовых клеток, мы обнаружили, что путь, позволяющий нервным клеткам сжигать липиды для производства энергии, не работает с APOE4, поскольку этот вариант APOE блокирует рецептор на нервных клетках, необходимый для поглощения липидов.
Анна Греда, доцент лаборатории Уиллноу в Орхусском университете и соавтор исследования.
Зоны роста и критика исследования
Ученые признают ограничения исследования. Главное из них в том, что большинство моделей были лабораторными, поэтому результаты могут не отражать всю сложность работы человеческого мозга. И хотя животные модели приблизительно отражают прогрессирование заболеваний у человека, они не воспроизводят его в точности. Кроме того, эффекты APOE4 могут различаться в зависимости от пола и этнической принадлежности, что в данном исследовании не изучалось подробно.
Тем не менее, результаты исследования предлагают терапевтические решения. Понимание того, что токсичность APOE4 обусловлена нарушением липидного обмена и воспалительными процессами, открывает новые возможности для воздействия лекарственных препаратов, в частности, на метаболизм липидов и лизосомальную репарацию.
Наше исследование показывает, что мозг в значительной степени зависит от способности переключаться с глюкозы на липиды по мере старения. Похоже, что у носителей гена APOE4 эта способность может быть нарушена, что повышает риск истощения нервных клеток и их гибели в процессе старения.
Соавтор исследования, Джемила Гомес, доктор философии, научный сотрудник лаборатории Уиллноу.
Некоторые лаборатории уже тестируют «стабилизаторы APOE4», которые могли бы сделать его более похожим на APOE3. Поскольку действие гена упирается в липидный обмен, то рацион питания и контроль уровня холестерина могут частично влиять на прогрессирование заболевания у носителей APOE4, хоть это направление еще не изучалось.
Традиционно, больше материалов про мозг, психику и сознание читайте в сообществе Neural Hack. Пограничный край инноваций, за которыми виден свет дивного нового мира.
