מחקר של Scripps Research עשה התקדמות משמעותית בהבנת מחלת האלצהיימר על ידי שימוש בטכניקה חדשה לניתוח הפעילות החשמלית ורמות החלבון בנוירונים בודדים. שיטה זו, הכוללת ניתוח מפורט של תאים בודדים, הובילה לזיהוי מטרות מולקולריות חדשות שיכולות להיות חיוניות בפיתוח טיפולים להאטת התקדמות המחלה. מאמצים משותפים של מומחים בתחומים שונים של מדעי המוח אפשרו פריצות דרך אלו, ועשויות לסלול את הדרך לאסטרטגיות טיפוליות חדשות.
חוקרים זיהו יעדי תרופה פוטנציאליים חדשים למחלות נוירודגנרטיביות על ידי לקיחת מדידות חשמל וחלבונים מפורטות מתאי מוח בודדים.
המרכז האמריקאי לבקרת מחלות ומניעתן מדווח כי כ-5.8 מיליון אמריקאים מושפעים אלצהיימר מחלה, הסוג השולט של דמנציה. נכון לעכשיו, אין תרופה לאלצהיימר, בעיקר בגלל ידע לא מלא על הגורמים לה. עם זאת, מחקר שנערך לאחרונה על ידי Scripps Research מספק תובנות חדשות לגבי הגורמים המולקולריים שעשויים להשפיע על התקדמות מחלת האלצהיימר.
במחקר, שפורסם לאחרונה בכתב העת מדע מתקדם, השתמשו החוקרים בטכניקה חדשה לחקר תאי מוח בודדים חיים שנפגעו ממחלת אלצהיימר. על ידי מדידת הפעילות החשמלית של נוירונים בודדים ורמות החלבון בתוך אותם נוירונים, גילו המדענים מולקולות חדשות הקשורות לאלצהיימר. התקווה היא שהמולקולות הללו יכולות להיות ממוקדות על ידי תרופות לטיפול או להאט את התקדמות המחלה הנוירודגנרטיבית בעתיד.
שיתוף פעולה הדוק בין הפרופסורים של Scripps Research, כולל הנוירולוג הקליני סטיוארט ליפטון, MD, PhD, מומחה החלבונים ג'ון ייטס, III, PhD, והביואינפורמטיקאי ניקולס שורק, PhD, (שהוא גם סגן המנהל והפרופסור המכובד לרפואה כמותית ב-The Translational Genomics מכון המחקר, או TGen) אפשרה למדענים לפתח את ההישג הביוטכנולוגי הזה.
המשמעות של טכניקת המחקר
"זה היה מדהים בעיניי שיכולנו לקחת תא אחד, למדוד את הפעילות החשמלית שלו בסדר גודל של מיליונית ממיליונית האמפר, ואז להסתכל על אלפי חלבונים בתוך אותו תא כדי לאפשר לנו למצוא החלבונים המניעים פעילות חשמלית לא תקינה הקשורה לאלצהיימר", אומר הסופר הבכיר ליפטון, שהוא גם פרופסור קרן Step Family Foundation ומנהל שותף של המרכז לתרופות ניווניות ניווניות במחקר Scripps. "אבל היופי בשיטה הזו הוא שהיא מאפשרת לנו לחשוף מטרות חדשות למחלת אלצהיימר ודמנציות קשורות".
מחקרים קודמים של ליפטון ואחרים הראו כי נוירונים מסוימים הופכים לפעילות יתר במוחם של אנשים עם אלצהיימר, ושולחים אותות חשמליים חזקים או תכופים יותר מהרגיל. עדויות מצביעות על כך שפעילות יתר זו (הידועה גם בשם ריגוש יתר) תורמת לירידה הקוגניטיבית הקשורה לאלצהיימר.
צינור זכוכית זעיר (משמאל למעלה) מייצג את הקלטת האלקטרודה מנוירון אלצהיימר אנושי מעורר, שנוצר באמצעות טכניקות מודרניות של תאי גזע (כחול כהה, בקצה הצינור). קרדיט: Scripps Research
בעבודה החדשה, ליפטון ועמיתיו פיתחו מערכת שבה מדענים יכולים לבצע מדידות מדויקות של תאי מוח בודדים ולאחר מכן להשוות את אלו שנפגעו מאלצהיימר עם תאים בריאים. הקבוצה של ליפטון, שפיתחה בעבר שיטות למדידה מדויקת של הפעילות החשמלית של נוירונים, התחברה עם ייטס כדי להשתמש בספקטרומטריית מסה כדי לזהות רמות של למעלה מ-2,250 חלבונים בכל תא עצב. ספקטרומטריית מסה יכולה לזהות ולכמת חלבונים מתאי, אבל ניתוחים אלה נעשו באופן מסורתי על אוספים בתפזורת של תאים. ההתקדמות האחרונה מאפשרת מדידות ברמת תא בודד.
התקדמות בניתוח תא בודד
במערכת החדשה, המכונה single cell (sc) Patch-Clamp/Proteomics, צינור זכוכית זעיר מלא בתמיסת מלח משמש כאלקטרודה למדידת הפעילות החשמלית של התא, ולאחר מכן לחלץ את התא למחקרי חלבון עם ספקטרומטר מסה.
"גישה זו מאפשרת לנו לחבר הפרעות של פונקציות חשמליות לאירועים מולקולריים בנוירונים, שהוא יישום מלהיב של פרוטאומיקה", אומר ייטס.
המדענים ניתחו את הדפוסים החשמליים ורמות החלבון של כ-150 נוירונים ולאחר מכן השתמשו בכלים חישוביים – שיישמו על ידי Schork – כדי למצוא קשרים בין ריגוש יתר ורמות חלבון לא תקינות. הם זיהו כמעט 50 חלבונים שהיו נוכחים ברמות גבוהות או נמוכות יותר בתאי אלצהיימר בעלי ריגוש יתר בהשוואה לתאים בריאים.
"חלק מהחלבונים האלה כבר היו ידועים כקשורים לאלצהיימר, אבל רבים לא היו קשורים", אומר ליפטון.
החלבונים היו מעורבים בתפקודים רבים ומגוונים של נוירונים, כולל שליטה באלקטרונים ברדיקלים חופשיים (מאפננים חיזור), חילוף חומרים של אנרגיה ודלקת. 15 מהחלבונים בלטו כבעלי רמות גבוהות או נמוכות במיוחד בנוירונים של אלצהיימר, והקבוצה של ליפטון מתכננת מחקרי המשך על חלק מהמולקולות הללו.
הוא גם מתכנן להרחיב את השימוש ב-scPatch-Clamp/Proteomics למסכי תרופות – בודקים אם תרופות פוטנציאליות לאלצהיימר מתקנות גם את ריגוש היתר של נוירונים וגם את רמות החלבון החריגות. הוא מתאם את הממצאים הללו עם ניסויים על קבוצות גדולות יותר של תאי מוח שהתקבלו מחולי אלצהיימר המכונה אורגנואידים מוחיים, או "מיני-מוח".
"תא אחד לא תמיד מספר את כל הסיפור", מסביר ליפטון. "חלק מהתפקוד לקוי באלצהיימר קשור לאופן שבו תאים מתקשרים זה עם זה, כך שאם נוכל לחזור על סוג זה של מחקר במיני אורגנואיד מוח, אנו עשויים לגלות תגליות נוספות."
ליפטון מציין שניתן ליישם שיטה זו על מאמצי גילוי תרופות למחלות נוספות הקשורות למוח.
"גישה חדשה זו לרפואה מותאמת אישית – המבוססת על ביטוי חלבון ופעילות חשמלית של נוירון יחיד של אלצהיימר – עשויה לחולל מהפכה בגילוי תרופות לא רק למחלה זו אלא למחלות נוירולוגיות אחרות, שפיגרה הרבה מאחורי תחומים טיפוליים אחרים", הוא מוסיף.
עבודה זו נתמכה במימון מ- המכונים הלאומיים לבריאות (R01 AG056259, R35 AG071734, RF1 AG057409, R56 AG065372, R01 DA048882, DP1 DA041722, F32 ES031815, R01MH100175, U700175, R261 MH601, U701 MH61, U701, 700175 2, U19 AG065169 ו-U24 AG078753).
