科學(xué)家發(fā)現(xiàn)阿爾茨海默病的新分子驅(qū)動(dòng)因素
研究人員通過記錄單個(gè)腦細(xì)胞的詳細(xì)電信號和蛋白質(zhì)測量數(shù)據(jù),揭示了神經(jīng)退行性疾病的新潛在藥物靶點(diǎn)。
斯克利普斯研究所
5月22日消息
根據(jù)美國疾病控制與預(yù)防中心(Centers for Disease Control and Prevention,CDC)的數(shù)據(jù),目前至少有 580 萬美國人患有阿爾茨海默病,這是最常見的失智癥形式。阿爾茨海默病尚無治愈方法,部分原因是科學(xué)家們尚未完全了解該疾病的成因。但斯克利普斯研究所(Scripps Research)的一項(xiàng)新研究揭示了可能導(dǎo)致阿爾茨海默病進(jìn)展的分子驅(qū)動(dòng)因素。
在這項(xiàng)發(fā)表在《先進(jìn)科學(xué)》(Advanced Science)上的研究中,研究人員采用了一種新技術(shù)來研究受阿爾茨海默病影響的單個(gè)活腦細(xì)胞。通過測量單個(gè)神經(jīng)元的電活動(dòng)和這些神經(jīng)元內(nèi)的蛋白水平,科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了與阿爾茨海默病相關(guān)的新分子。未來的希望是,藥物可以針對這些分子來治療或減緩這種神經(jīng)退行性疾病的進(jìn)展。
研究于2024年5月21日發(fā)表在《Advanced Science》(最新影響因子:15.1)雜志上
斯克利普斯研究所的教授們進(jìn)行了緊密的合作,包括臨床神經(jīng)學(xué)家 Stuart Lipton 博士、蛋白質(zhì)專家 John Yates, III 博士和生物信息學(xué)家 Nicholas Schork 博士(同時(shí)也是轉(zhuǎn)化基因組研究所的定量醫(yī)學(xué)副主任和杰出教授),使得科學(xué)家們能夠開發(fā)出這一生物技術(shù)成果。
“令我震驚的是,我們可以從一個(gè)細(xì)胞中測量其電活動(dòng),其量級達(dá)到百萬分之一安培,然后觀察該細(xì)胞中數(shù)千種蛋白質(zhì),以便我們找到驅(qū)動(dòng)與阿爾茨海默病相關(guān)的異常電活動(dòng)的蛋白質(zhì),”資深作者 Lipton 博士表示,他也是Step Family Foundation 教授和斯克利普斯研究所神經(jīng)變性新藥中心的聯(lián)合主任,“但這種方法的美妙之處在于,它讓我們能夠發(fā)現(xiàn)阿爾茨海默病和相關(guān)失智癥的新靶點(diǎn)。”
Lipton 和其他人之前的研究表明,阿爾茨海默病患者的大腦中某些神經(jīng)元會(huì)變得過度活躍,發(fā)出比平時(shí)更強(qiáng)或更頻繁的電信號。證據(jù)表明,這種過度活躍(也稱為過度興奮性)會(huì)導(dǎo)致與阿爾茨海默病相關(guān)的認(rèn)知能力下降。
在這項(xiàng)新工作中,Lipton 和他的同事們開發(fā)了一個(gè)系統(tǒng),科學(xué)家們可以精確測量單個(gè)腦細(xì)胞,然后將受阿爾茨海默病影響的細(xì)胞與健康細(xì)胞進(jìn)行比較。Lipton 的團(tuán)隊(duì)之前已經(jīng)開發(fā)出了精確測量神經(jīng)元電活動(dòng)的方法,他們與 Yates 合作,使用質(zhì)譜法識別每個(gè)神經(jīng)細(xì)胞中超過 2,250 種蛋白質(zhì)的水平。質(zhì)譜法可以識別和量化來自細(xì)胞的蛋白質(zhì),但這些分析傳統(tǒng)上是在大量細(xì)胞集合上進(jìn)行的。最近的進(jìn)展使得能夠在單個(gè)細(xì)胞水平上進(jìn)行測量。
在這個(gè)被稱為單細(xì)胞膜片鉗/蛋白質(zhì)組學(xué)(scPatch-Clamp/Proteomics)的新系統(tǒng)中,一個(gè)裝滿鹽溶液的微小玻璃管被用作電極來測量細(xì)胞的電活動(dòng),然后提取細(xì)胞進(jìn)行質(zhì)譜法的蛋白質(zhì)研究。
一個(gè)微小的玻璃管(左上角)代表通過現(xiàn)代干細(xì)胞技術(shù)(管尖的深藍(lán)色部分)生成的來自興奮性人類阿爾茨海默病神經(jīng)元的電極記錄
“這種方法使我們能夠?qū)㈦姽δ艿臄_動(dòng)與神經(jīng)元中的分子事件聯(lián)系起來,這是蛋白質(zhì)組學(xué)的一個(gè)令人興奮的應(yīng)用,” Yates 說。
科學(xué)家們分析了大約 150 個(gè)神經(jīng)元的電模式和蛋白水平,然后使用 Schork 應(yīng)用的計(jì)算工具來發(fā)現(xiàn)過度興奮性和異常蛋白水平之間的關(guān)聯(lián)。他們確定了近 50 種蛋白質(zhì),這些蛋白質(zhì)在過度興奮的阿爾茨海默病細(xì)胞中的水平高于或低于健康細(xì)胞。
“其中一些蛋白質(zhì)已經(jīng)被認(rèn)為與阿爾茨海默病有關(guān),但很多并不是,” Lipton 說。
這些蛋白質(zhì)參與了神經(jīng)元的許多不同功能,包括控制自由基中的電子(氧化還原調(diào)節(jié)劑)、能量代謝和炎癥。有 15 種蛋白質(zhì)在阿爾茨海默病神經(jīng)元中的水平特別高或特別低,Lipton 的團(tuán)隊(duì)計(jì)劃對這些分子中的一些進(jìn)行后續(xù)研究。
他還計(jì)劃將 scPatch-Clamp/Proteomics 用于藥物篩選,測試潛在的阿爾茨海默病藥物是否能夠同時(shí)糾正神經(jīng)元的過度興奮性和異常的蛋白水平。他正在將這些發(fā)現(xiàn)與從已知為腦類器官或“微型大腦”( mini-brains)的阿爾茨海默病患者中獲得的大腦細(xì)胞較大組群進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行關(guān)聯(lián)。
“一個(gè)細(xì)胞并不總是能說明全部情況,” Lipton 解釋說,“阿爾茨海默病中的某些功能障礙與細(xì)胞如何相互作用有關(guān),因此,如果我們能在微型大腦類器官中重復(fù)這種類型的研究,我們可能會(huì)做出更多的發(fā)現(xiàn)。”
Lipton 指出,這種方法可以應(yīng)用于其他與大腦相關(guān)疾病的藥物發(fā)現(xiàn)工作。
“這種基于單個(gè)阿爾茨海默病神經(jīng)元的蛋白表達(dá)和電活動(dòng)的新個(gè)性化醫(yī)療方法,不僅可以為這種疾病的藥物發(fā)現(xiàn)帶來革命性變化,還可以為其他神經(jīng)疾病的藥物發(fā)現(xiàn)帶來革命性變化,這些神經(jīng)疾病在藥物發(fā)現(xiàn)方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于其他治療領(lǐng)域,” 他補(bǔ)充說。
創(chuàng)立于1924年的斯克里普斯研究所
參考文獻(xiàn)
Source:The Scripps Research Institute
Scripps Research Scientists uncover new molecular drivers of Alzheimer's
Reference:
S. Ghatak, J. K. Diedrich, M. Talantova, N. Bhadra, H. Scott, M. Sharma, M. Albertolle, N. J. Schork, J. R. Yates III, S. A. Lipton, Single-Cell Patch-Clamp/Proteomics of Human Alzheimer's Disease iPSC-Derived Excitatory Neurons Versus Isogenic Wild-Type Controls Suggests Novel Causation and Therapeutic Targets. Adv. Sci. 2024, 2400545. https://doi.org/10.1002/advs.202400545
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原文標(biāo)題 : 科學(xué)家發(fā)現(xiàn)阿爾茨海默病的新分子驅(qū)動(dòng)因素
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