Hippokampálna neurogenéza dospelých pri starnutí a Alzheimerovej chorobe, časť 1

Abstraktné

Kognitívne deficity spojené s Alzheimerovou chorobou (AD) vážne ovplyvňujú každodenný život miliónov postihnutých jedincov. Progresívne poškodenie pamäti u pacientov s AD je spojené s degeneráciou hipokampu. Zubný gyrus hipokampu, oblasť kritická pre učenie a pamäťové funkcie, je miestom neurogenézy dospelých u cicavcov. Nedávne dôkazy u ľudí naznačujú, že hipokampálna neurogenéza pravdepodobne pretrváva počas celého života, ale s vekom klesá a je výrazne narušená pri AD. Naše chápanie toho, ako neurogenéza podporuje učenie a pamäť u zdravých dospelých, sa len začína objavovať. Miera, do akej znížená neurogenéza prispieva ku kognitívnemu poklesu starnutia a AD, zostáva nedostatočne pochopená. Štúdie na modeloch AD na hlodavcoch a iných neurodegeneratívnych ochoreniach však zvyšujú možnosť, že zacielenie na neurogenézu môže zlepšiť kognitívnu dysfunkciu pri AD. Tu uvádzame nedávny pokrok v chápaní toho, ako je ovplyvnená neurogenéza dospelých v kontexte starnutia a AD.

Kľúčové slová

Alzheimerova choroba; Hippokampálna neurogenéza dospelých; neurogenéza v zdravom starnutí; AD a neurogénna medzera;Účinky Cistanche.

Ak chcete kúpiť, kliknite semCistanche pilulky

Úvod

Alzheimerova choroba (AD) je oslabujúce, neúprosne progresívne neurodegeneratívne ochorenie, ktoré postihuje milióny ľudí na celom svete. U jedincov trpiacich AD sa vyvinú poruchy pamäti, ktoré vážne ovplyvňujú každodenný život. Entorhinálny kortex a hipokampus hrajú kľúčovú úlohu v etiológii AD (Braak a Braak, 1991; Thompson et al., 2003). Histologické a zobrazovacie štúdie naznačujú, že entorinálny kortex je postihnutý v ranom štádiu AD (Go'mez-Isla a kol., 1996), po ktorom nasleduje rozšírenie do hipokampu a mozgovej kôry (Braak a kol., 2006). Okrem degenerácie je AD charakterizovaná hromadením patologických štruktúr, vrátane extracelulárnych plakov zložených z amyloidu beta (Ab), produktu štiepenia amyloidného prekurzorového proteínu (APP) a intracelulárnych spletencov obsahujúcich hyperfosforylovaný tau. Prítomnosť plakov a spletencov v hipokampe silne koreluje s kognitívnym poklesom (Naslund et al., 2000). Ďalšie znaky hipokampu však budú pravdepodobne dôležité pre pochopenie kognitívneho poklesu pri AD a pre vývoj nových liečebných postupov. Na rozdiel od väčšiny oblastí mozgu dospelých cicavcov, hipokampus obsahuje nervové kmeňové bunky (NSC), ktoré môžu generovať nové neuróny, čo je proces nazývaný neurogenéza. Naše chápanie toho, ako je hipokampálna neurogenéza narušená pri AD alebo dokonca pri zdravom starnutí, sa len začína objavovať. Tu uvádzame nedávny pokrok v chápaní toho, ako je hipokampálna neurogenéza dospelých ovplyvnená v kontexte starnutia a AD.

Hippokampálna neurogenéza dospelých

Neurogenéza dospelých hlodavcov a primátov (okrem človeka) bola do hĺbky skúmaná už desaťročia (Altman a Das, 1965; Gould a kol., 1999), pričom niekoľko štúdií stanovilo, do akej miery sa celoživotná neurogenéza vyskytuje u ľudí (Boldrini a kol., 2018; Eriksson a kol., 1998; Ernst a kol., 2014; Johansson a kol., 1999a, 1999b; Knoth a kol., 2010; Moreno-Jimenez a kol., 2019; Spalding a kol., Tobin al., 2019). Hippokampálne NSC v subgranulárnej zóne (SGZ) primárne generujú neuróny zubatých granúl, čo sú excitačné neuróny, ktoré tvoria väčšinu gyrus dentatus (DG) (obrázok 1). Funkčne, DG prijíma vstup z entorinálneho kortexu, posiela informácie cez trisynaptický obvod do CA3 a CA1, čím hrá rozhodujúcu úlohu pri učení a pamäti. Tu diskutujeme o dynamike neurogenézy dospelých v DG hlodavcov a dôkazoch o neurogenéze v tejto oblasti u ľudí.

Neurogenéza dospelých u hlodavcov

Väčšina našich vedomostí o hipokampálnej neurogenéze dospelých pochádza z práce na hlodavcoch. Skoré experimenty na potkanoch s použitím tymidínu-H3 identifikovali tvorbu nových granulovaných neurónov u dospelých DG (Altman a Das, 1965; Cameron a kol., 1993). Neskoršie štúdie kombinovali inkorporáciu tymidínového analógu s markerom zrelých neurónov (NeuN), čo ďalej potvrdilo, že NSC sa delia a môžu sa diferencovať na zrelé granulové neuróny v SGZ DG (Kuhn et al., 1996). Iní pomocou podobných metodík našli dôkaz celoživotnej neurogenézy v subventrikulárnej zóne (SVZ) laterálnych komôr (Luskin, 1993). Blokovanie nepretržitej tvorby nových neurónov narúša kognitívnu výkonnosť, čo naznačuje, že neurogenéza dospelých je kritickou zložkou hipokampálnych obvodov (Imayoshi et al., 2008). Niekoľko štúdií ďalej podporuje túto predstavu a ukazuje, že hipokampálna neurogenéza dospelých generuje neuróny, ktoré sú dôležité pri učení a pamäti, ako aj pri emocionálnej regulácii (Sahay a kol., 2011; Shors a kol., 2001). Najmä neurogenéza dospelých je regulovaná environmentálnymi a behaviorálnymi podnetmi. Cvičenie a obohatenie prostredia (EE) sú dobre známe tým, že zvyšujú neurogenézu a kognitívnu výkonnosť u zdravých hlodavcov. Okrem toho tréning na hipokampálne závislých úlohách učenia a pamäte vedie k výraznému zvýšeniu prežitia nových granulových buniek v DG (Aimone et al., 2006; van Praag et al., 2005). Naproti tomu stres, starnutie a neurodegenerácia sú silnými negatívnymi regulátormi neurogenézy dospelých (Gould a Tanapat, 1999; Kuhn a kol., 1996).

Väčšina NSC v dospelom mozgu je v pokojnom stave a aktívne sa nemnoží. Pokojné NSC sa môžu aktivovať a rozdeliť, aby vytvorili dcérske bunky, ktoré sa buď vrátia do pokoja (samoobnova) alebo sa diferencujú na neuróny alebo gliu (Codega et al., 2014). U myší prebieha proces neurogenézy približne 7 týždňov a možno ho rozdeliť do štyroch fáz: (1) aktivácia prekurzorových buniek, (2) skoré prežitie, (3) skoré postmitotické dozrievanie a (4) neskoré dozrievanie (Ambrogini et al., 2004; Kempermann et al., 2015) (obrázok 1). Počas prekurzorovej fázy sa astrocytom podobné pokojové NSC aktivujú a buď sa delia symetricky, aby sa vytvorili nové NSC, alebo asymetricky, aby sa vytvoril progenitor a NSC (Bond et al., 2015). NSC sa môžu samoobnovovať, zatiaľ čo progenitorové bunky majú obmedzenú proliferatívnu kapacitu a môžu sa diferencovať na neuróny alebo gliu. Novo vytvorené neuroblasty, progenitory s neurónovým osudom, dostávajú GABAergický vstup a vyvíjajú sa na nezrelé neuróny (Tozuka et al., 2005). Počas ranej fázy prežitia je až 50 percent buniek eliminovaných prostredníctvom apoptózy, čím sa znižuje počet novovytvorených neurónov (Dayer et al., 2003). Nové neuróny, ktoré prežijú dlhšie ako 2 týždne, migrujú do vrstvy granulových buniek (GCL), začnú sa z nich vyvíjať axóny a dendrity a nakoniec sa integrujú do siete hipokampu (Kempermann et al., 2003). Fáza skorého postmitotického dozrievania zahŕňa predlžovanie axónov, tvorbu dendritickej chrbtice a tvorbu synapsií (Sun et al., 2013), ktorá je do značnej miery riadená sieťovou aktivitou, ako sú GABAergické vstupy (Piatti et al., 2011). Nakoniec, neskorá fáza dozrievania je charakterizovaná prechodom z expresie kalretinínu na expresiu kalbindínu a vývojom elektrofyziologických podpisov starších granulových buniek (Ambrogini a kol., 2004; Brandt a kol., 2003). Počas tejto doby nové neuróny tvoria glutamátergické synapsie a vstupujú do kritického obdobia so zníženým prahom pre dlhodobú potenciáciu v porovnaní s novorodenými neurónmi. Tieto zmeny sú dôležité pre prežitie buniek, sprostredkúvajú synaptickú plasticitu a kódovanie pamäte (Aimone et al., 2006; Schmidt-Hieber et al., 2004).

Proces neurogenézy prebieha v špecializovanom výklenku, ktorý zahŕňa charakteristické zložky extracelulárnej matrice, odlišné vaskulatúrne štruktúry a množstvo vylučovaných faktorov. Zatiaľ čo úplný opis architektúry výklenku a jej vplyvu na neurogenézu presahuje rámec tohto prehľadu (pozri Bond a kol., 2015), výklenok je rozhodujúci pre podporu zdravej neurogenézy. Poruchy neurogénnej niky môžu viesť k poruchám učenia a pamäti, zatiaľ čo omladenie staršej niky môže zachrániť poznanie (Navarro Negredo et al., 2020).

Doplnky Cistanche

Neurogenéza v mozgu dospelého človeka

Na hodnotenie proliferácie a neurogenézy v mozgu dospelého človeka sa použili tri nezávislé metódy: inkorporácia brómdeoxyuridínu (BrdU), imunohistochémia s markermi pre nezrelé neuróny a merania rádioaktívneho uhlíka-14 DNA (Boldrini et al., 2018; Eriksson et al., 1998; Ernst a kol., 2014; Knoth a kol., 2010; Moreno-Jimenez a kol., 2019; Sorrells a kol., 2018; Spalding a kol., 2013). Prvý dôkaz o neurogenéze dospelých u ľudí pochádza zo štúdie Erikssona a spol. (1998), v ktorej sa použilo začlenenie tymidínového analógu BrdU na identifikáciu proliferujúcich buniek v mozgu. BrdU-pozitívne bunky koexprimujúce neurónové markery boli pozorované v GCL DG aj v SVZ. Od tejto počiatočnej správy niekoľko štúdií uvádza neurogenézu dospelých u ľudí (Boldrini a kol., 2018; Ernst a kol., 2014; Johansson a kol., 1999a, 1999b; Knoth a kol., 2010; Moreno-Jimenez a kol. , 2019; Spalding a kol., 2013). Historicky bolo ťažké kvantifikovať absolútnu úroveň tvorby nových neurónov u ľudí a existovali určité spory o veľkosti neurogenézy postnatálne. Jeden odhad z údajov o inkorporácii uhlíka naznačuje, že v tomto regióne dochádza k nepretržitej hipokampálnej neurogenéze dospelých s odhadovanou ročnou mierou obratu 1,75 percenta (Spalding et al., 2013).

Treba však poznamenať, že niektoré štúdie nedokázali odhaliť významnú generáciu nových neurónov po vývoji u ľudí (Cipriani a kol., 2018; Sanai a kol., 2011; Sorrells a kol., 2018). Hoci môžu hrať úlohu aj ďalšie faktory, neschopnosť detegovať nové neuróny v mozgu dospelých môže byť spôsobená rôznymi metódami fixácie tkaniva a nezrovnalosťami v podmienkach dlhodobého skladovania vzoriek z pitvy. Nedávna štúdia sa zaoberala týmito základnými technickými problémami, ktoré môžu byť obzvlášť dôležité pre detekciu nezrelého neurónového markera DCX (Flor-Garcia et al., 2020). Táto práca spolu s nedávnymi pokrokmi vo vývoji inovatívnych technológií, ako je jednobunková genomika, pripravuje pôdu pre budúce štúdie s cieľom presne určiť rozsah, v akom sa neurogenéza dospelých vyskytuje u zdravých a chorých jedincov.

Neurogenéza v zdravom starnutí

Je dobre zdokumentované, že neurogenéza dospelých klesá pri fyziologickom starnutí u cicavcov. U hlodavcov neurogenéza významne klesá s vekom v nikách SVZ aj DG, s výraznou stratou proliferácie o 20–24 mesiacov (Enwere a kol., 2004; Kempermann a kol., 1998). Skoré štúdie využívajúce inkorporáciu BrdU u potkanov hlásili významne zníženú proliferáciu progenitorov v staršom hipokampe, a to až o 10 percent dospelých úrovní, čo malo za následok zníženú tvorbu nových granulových buniek. Bolo tiež pozorované, že relatívny podiel cyklistiky k pokojným NSC sa počas starnutia posúva, pričom menej NSC je v stave aktívneho delenia (Dı´az-Moreno et al., 2018; Kalamakis et al., 2019). Okrem toho je pravdepodobné, že celkový súbor NSC bude vyčerpaný a pomer symetrických k asymetrickým bunkovým deleniam bude skreslený (Encinas a kol., 2011; Moore a kol., 2015). Ďalšie štúdie potvrdili, že vo veku 6 mesiacov u myši dochádza k poklesu neurogenézy, čo koreluje s poklesom kognitívnych a zmyslových funkcií (Imayoshi a kol., 2008; Kempermann a kol., 1997).

Vnútorné aj environmentálne faktory ovplyvňujú neurogenézu cicavcov, a to aj u starších zvierat. Napríklad dobrovoľné cvičenie môže zachrániť defekty neurogenézy súvisiace s vekom (van Praag et al., 2005). Štúdie parabiózy odhalili, že prítomnosť systémového zápalu v staršom prostredí bráni neurogenéze. Naopak, keď sú staré zvieratá vystavené systematickému prostrediu mladších zvierat prostredníctvom parabiózy, neurogenéza a kognitívna výkonnosť sa zvyšuje (Villeda et al., 2014). Okrem toho je na udržanie zdravej celoživotnej neurogenézy potrebná vysoko integrovaná sieť signálov a zmeny týchto signálnych dráh počas starnutia sú spojené s poklesom neurogenézy (napr. BMP, Notch, Wnt, EGF a IGF). Niekoľko vnútorných bunkových zmien súvisiacich s vekom ovplyvňuje neurogenézu u starých zvierat vrátane transkripčných, metabolických, proteostázových a epigenetických zmien (podrobný prehľad nájdete v Audesse a Webb, 2020). Napríklad hlavnou črtou NSC súvisiacou s vekom je zhoršenie kontroly kvality proteínov, vrátane funkcie autofagie-lyzozómov, aktivity chaperónu a celkového spracovania agregátov. Všetky tieto procesy sa vekom NSC menia (Audesse a kol., 2019; Leeman a kol., 2018; Moore a kol., 2015; Vonk a kol., 2020).

Cistanche tubulosa

Starnutie a ľudská neurogenéza

Podobne ako u hlodavcov existujú dôkazy naznačujúce pokles hipokampálnej neurogenézy počas starnutia u ľudí. Moreno-Jimenez a kol. (2019) kvantifikovali DCX-pozitívne nezrelé neuróny u 13 zdravých pacientov bez pozorovateľného neurologického ochorenia vo veku 43 a 87 rokov. DCX-pozitívne bunky boli identifikované u každého z 13 pacientov, pričom percento DCX-pozitívnych buniek v DG s vekom klesalo. Ďalšie markery progresívnych štádií neuronálnej diferenciácie (napr. PROX1, PSANCAM, NEUN a bIII-tubulín) preukázali defektné dozrievanie DCX-pozitívnych buniek u pacientov s AD. Tieto markery, ako aj známe markery dozrievania, ako sú proteíny viažuce vápnik kalretinín (skoré nezrelé neuróny) a kalbindin (neskoré štádium dozrievania), budú užitočné v budúcich štúdiách na úplné rozobratie dynamiky defektnej neurogenézy u starších jedincov ( Moreno-Jimenez a kol. 2019). Druhá štúdia analyzujúca hipokampálne mozgové tkanivo od 28 ľudských subjektov vo veku 14 až 79 rokov dospela k záveru, že neurogenéza pretrváva v staršom mozgu, ale že počet nervových progenitorov a nezrelých neurónov v DG mladých a starých pacientov zostal podobný. Vo starnutom tkanive však bola menšia angiogenéza, neuroplasticita a menší pokojový bazén v prednej časti DG v porovnaní s mladým tkanivom (Boldrini et al., 2018). V týchto štúdiách sa teda uvádza, že neurogenéza dospelých u ľudí pretrváva počas dospelosti a klesá s vekom. Do akej miery sú mechanizmy zodpovedné za tento pokles evolučne zachované, zostáva nejasné. Zatiaľ čo štúdium neurogenézy dospelých u ľudí zostáva náročné kvôli obmedzenému prístupu k ľudským dospelým NSC, najnovšie technológie, ako je jednobunková genomika a bunkové preprogramovanie, pomôžu vyplniť túto dôležitú medzeru v našom chápaní neurogenézy dospelých.

AD a neurogénna nika

Symptómy AD zahŕňajú progresívnu stratu pamäti a závažné kognitívne deficity. U pacientov s AD dochádza k významnej strate neurónov a synaptických spojení, a to aj v entorinálnom kortexe a hipokampe (Braak et al., 2006). Najmä entorinálny kortex poskytuje hlavný vstup pre bunky zubatých granúl, vrátane tých, ktoré sa narodili v dospelosti. Prítomnosť extracelulárnych plakov a intracelulárnych neurofibrilárnych spletencov sa považuje za kľúčové charakteristické znaky AD u pacientov.

Existujú dve hlavné triedy AD, zriedkavá familiárna AD (FAD) a vysoko prevládajúca sporadická AD (SAD). FAD je spojená s mutáciami v génoch APP, presenilín{0}} (PS-1) a PS-2 a s patológiou, ktorá sa zvyčajne vyvíja vo veku 50 až 60 rokov (Scheuner et al. , 1996). SAD má typicky neskorší nástup ako FAD a často sa spája so špecifickou alelou génu APOE (Corder et al., 1993). Dôležité je, že v oboch triedach AD pacienti vykazujú plaky, spleti a oslabujúcu kognitívnu dysfunkciu.

Plaky a spletence prítomné pri AD zahŕňajú extracelulárne Ab agregáty a neurofibrilárny, chybne poskladaný tau proteín, v danom poradí. Plaky Ab sa vo všeobecnosti tvoria na začiatku progresie ochorenia, ešte predtým, ako sú viditeľné kognitívne symptómy (Glenner a Wong, 1984). Toto zistenie spustilo „amyloidnú hypotézu“, čo je myšlienka, že produkty štiepenia APP, ako je Ab42, sú základnou príčinou AD, čo nakoniec vedie k synaptickej dysfunkcii, glióze, strate neurónov a patológii tau (Hardy, 2009) . APP je štiepený enzýmom beta-sekretáza na N-konci a gama-sekretázou na C-konci. Štiepenie gama-sekretázou produkuje Ab proteíny rôznych dĺžok, Ab40 a Ab42 (Eckman a Eckman, 2007). Hladiny Ab42 sú zvýšené pri AD a Ab42 je pravdepodobnejšie než Ab40, že sa vyzráža a tvorí agregáty (Vassar a Citron, 2000). Mnoho mutácií spojených so skorým nástupom FAD ovplyvňuje štiepenie APP, takže v mozgoch s AD je generovaných a prítomných viac Ab42 ako Ab40 (Scheuner et al., 1996). Dôkazy naznačujú, že ukladanie Ab hrá úlohu v patológii AD (Hardy a Selkoe, 2002); terapeutické prístupy zamerané na procesy ukladania a štiepenia amyloidu však v klinických štúdiách nedokázali zmierniť symptómy ochorenia (Panza et al., 2019). Preto zostáva otázne, či je ukladanie Ab kauzálne.

Výhody Cistanche

Nedávno boli navrhnuté alternatívne hypotézy k mechanizmu na základe amyloidu pre kauzalitu AD. Podľa „hypotézy tau“ hyperfosforylácia proteínu tau asociovaného s mikrotubulami (MAPT) spôsobuje AD prostredníctvom tvorby neurofibrilárnych spletí. Predpokladá sa, že nahromadenie tau spletí narúša kritické bunkové procesy, ako je transport proteínov, čo v konečnom dôsledku vedie k neuronálnej dysfunkcii a smrti (Ebneth a kol., 1998; Simic a kol., 2016). Aj keď je zrejmé, že v mozgoch AD sú prítomné plaky Ab aj spletence tau, zostáva nejasné, ako tieto dva charakteristické znaky interagujú a prispievajú k patogenéze AD. Nedávne štúdie v tejto oblasti navyše poukazujú na pretrvávajúci zápal, oxidačný stres a mikrogliálnu aktivitu ako prispievateľov k ochoreniu (Huang a kol., 2016; Sudduth a kol., 2013). Naďalej sa objavujú ďalšie prispievajúce mechanizmy, vrátane degenerácie spôsobenej interakciami medzi amyloidnými peptidmi a makromolekulami v hipokampálnej nike (napr. kyselina palmitová, kovy), ktoré môžu spôsobiť retrográdnu degeneráciu v entorinálnom kortexe (Young, 2020). Na úplné preskúmanie týchto hypotéz a ich dlhodobého vplyvu na progresiu ochorenia sú potrebné budúce štúdie.

Kelsey R. Babcock,1 John S. Page,2,3 Justin R. Fallon,3,4,5 a Ashley E. Webb4,5,6,7,

1. Absolvent Program v Neurovede, Brown Univerzita, Providence, RI 02912, USA

2. Warren Alpert Medical School z Brown University, Providence, RI 02912, USA

3. Katedra neurovied, Brown University, Providence, RI 02912, USA

4. Carney Institute for Brain Science, Brown University, Providence, RI 02912, USA

5. Center for Translational Neuroscience, Brown University, Providence, RI 02912, USA

6. Katedra molekulárnej biológie, bunkovej biológie a biochémie, Brown University, Providence, RI 02912, USA

7. Centrum pre biológiu starnutia, Brown University, Providence, RI 02912, USA