Νέες αποκαλύψεις για τη "χημεία" της Νόσου Αλτσχάιμερ

Eρευνητές στο Πανεπιστήμιο Rice δημιούργησαν τον πρώτο ολοκληρωμένο μοριακό «άτλαντα» του εγκεφάλου με Αλτσχάιμερ σε ζωικό μοντέλο, χωρίς τη χρήση χημικών ετικετών. Η εργασία αυτή προσφέρει μια βαθύτερη ματιά στο πώς ξεκινά και εξαπλώνεται η ασθένεια. Η Nόσος Αλτσχάιμερ προκαλεί κάθε χρόνο περισσότερους θανάτους από ό,τι ο καρκίνος του μαστού και ο καρκίνος του προστάτη μαζί, γεγονός που υπογραμμίζει την ανάγκη να κατανοηθεί τι την προκαλεί.

Χρησιμοποιώντας μια προηγμένη μέθοδο απεικόνισης με βάση το φως σε συνδυασμό με μηχανική μάθηση, η ομάδα εξέτασε εγκεφαλικό ιστό τόσο από υγιή ζώα όσο και από ζώα που είχαν επηρεαστεί από τη Νόσο Αλτσχάιμερ. Τα αποτελέσματά τους, που δημοσιεύθηκαν στο περιοδικό ACS Applied Materials and Interfaces, δείχνουν ότι οι χημικές αλλαγές που σχετίζονται με τη νόσο δεν περιορίζονται στις πλάκες αμυλοειδούς. Αντίθετα, αυτές οι μεταβολές εμφανίζονται σε ολόκληρο τον εγκέφαλο με ανομοιόμορφα και πολύπλοκα μοτίβα.

Απεικόνιση με λέιζερ αποκαλύπτει λεπτομέρειες της χημείας του εγκεφάλου

Για να ανιχνεύσουν αυτές τις λεπτές αλλαγές, οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν υπερφασματική απεικόνιση Raman. Αυτή η εξελιγμένη μορφή φασματοσκοπίας Raman χρησιμοποιεί λέιζερ για να εντοπίσει τα μοναδικά χημικά «αποτυπώματα» των μορίων μέσα στον ιστό.

«Η παραδοσιακή φασματοσκοπία Raman λαμβάνει μία μέτρηση χημικής πληροφορίας για κάθε μοριακό σημείο», δήλωσε ο Ziyang Wang, διδακτορικός φοιτητής ηλεκτρολόγων και μηχανικών υπολογιστών στο Rice και πρώτος συγγραφέας της μελέτης.

«Η υπερφασματική απεικόνιση Raman επαναλαμβάνει αυτή τη μέτρηση χιλιάδες φορές σε ολόκληρη μια τομή ιστού για να δημιουργήσει έναν πλήρη χάρτη. Το αποτέλεσμα είναι μια λεπτομερής εικόνα που δείχνει πώς η χημική σύσταση διαφέρει σε διαφορετικές περιοχές του εγκεφάλου».

Οι ερευνητές σάρωσαν ολόκληρους εγκεφάλους τομή προς τομή, συγκεντρώνοντας χιλιάδες επικαλυπτόμενες μετρήσεις για να δημιουργήσουν μοριακούς χάρτες υψηλής ανάλυσης τόσο για υγιή όσο και για άρρωστο ιστό. Επειδή η απεικόνιση ήταν χωρίς ετικέτες (label-free), τα δείγματα δεν επεξεργάστηκαν με χρωστικές, φθορίζουσες πρωτεΐνες ή μοριακούς δείκτες.

«Αυτό σημαίνει ότι παρατηρήσαμε τον εγκέφαλο όπως ακριβώς είναι, καταγράφοντας μια πλήρη και ανεπηρέαστη εικόνα της χημικής του σύστασης», είπε ο Wang. «Πιστεύω ότι έτσι η μέθοδος είναι πιο αντικειμενική και πιο κατάλληλη για την ανακάλυψη νέων αλλαγών που σχετίζονται με τη νόσο και που διαφορετικά ίσως περνούσαν απαρατήρητες».

Η μηχανική μάθηση χαρτογραφεί την άνιση βλάβη της νόσου

Η διαδικασία απεικόνισης παρήγαγε τεράστιες ποσότητες δεδομένων, τις οποίες η ομάδα ανέλυσε με μηχανική μάθηση (Machine Learning). Αρχικά χρησιμοποίησαν μη επιβλεπόμενη μηχανική μάθηση, επιτρέποντας στους αλγορίθμους να εντοπίσουν φυσικά μοτίβα στα χημικά σήματα χωρίς προηγούμενες υποθέσεις. Τα μοντέλα αυτά ταξινόμησαν τον ιστό αποκλειστικά με βάση τα μοριακά του χαρακτηριστικά.

Στη συνέχεια οι ερευνητές χρησιμοποίησαν επιβλεπόμενη μηχανική μάθηση, εκπαιδεύοντας μοντέλα ώστε να διακρίνουν δείγματα με Αλτσχάιμερ από μη προσβεβλημένα δείγματα. Αυτό το στάδιο βοήθησε να καθοριστεί πόσο έντονα διαφορετικές περιοχές του εγκεφάλου αντανακλούν τη χημεία που σχετίζεται με τη νόσο.

«Διαπιστώσαμε ότι οι αλλαγές που προκαλεί η νόσος Αλτσχάιμερ δεν κατανέμονται ομοιόμορφα στον εγκέφαλο», είπε ο Wang. «Ορισμένες περιοχές παρουσιάζουν ισχυρές χημικές μεταβολές, ενώ άλλες επηρεάζονται λιγότερο. Αυτό το άνισο μοτίβο βοηθά να εξηγηθεί γιατί τα συμπτώματα εμφανίζονται σταδιακά και γιατί θεραπείες που επικεντρώνονται σε ένα μόνο πρόβλημα είχαν περιορισμένη επιτυχία».

Μεταβολικές διαταραχές σε περιοχές μνήμης

Πέρα από τη συσσώρευση πρωτεϊνών, η μελέτη εντόπισε ευρύτερες μεταβολικές διαφορές μεταξύ υγιών εγκεφάλων και εγκεφάλων με Αλτσχάιμερ. Τα επίπεδα χοληστερόλης και γλυκογόνου διέφεραν μεταξύ των περιοχών, με τις πιο έντονες διαφορές να εμφανίζονται σε περιοχές που σχετίζονται με τη μνήμη, ιδιαίτερα στον ιππόκαμπο και στον εγκεφαλικό φλοιό.

«Η χοληστερόλη είναι σημαντική για τη διατήρηση της δομής των εγκεφαλικών κυττάρων και το γλυκογόνο λειτουργεί ως τοπικό ενεργειακό απόθεμα», δήλωσε ο Shengxi Huang, αναπληρωτής καθηγητής ηλεκτρολόγων μηχανικών, μηχανικών υπολογιστών και επιστήμης υλικών.

«Μαζί, αυτά τα ευρήματα ενισχύουν την ιδέα ότι η νόσος Αλτσχάιμερ περιλαμβάνει ευρύτερες διαταραχές στη δομή του εγκεφάλου και στην ενεργειακή ισορροπία, όχι μόνο στη συσσώρευση και κακή αναδίπλωση πρωτεϊνών».

Μια ευρύτερη εικόνα της εξέλιξης της νόσου

Το έργο ξεκίνησε από συζητήσεις για νέους τρόπους μελέτης του εγκεφάλου με Αλτσχάιμερ.

«Αρχικά μετρούσαμε μόνο μικρές περιοχές εγκεφαλικού ιστού», είπε ο Wang. «Ύστερα σκέφτηκα: τι θα γινόταν αν μπορούσαμε να χαρτογραφήσουμε ολόκληρο τον εγκέφαλο και να αποκτήσουμε μια πολύ ευρύτερη εικόνα; Χρειάστηκαν αρκετοί κύκλοι δοκιμών και λαθών μέχρι να λειτουργήσουν σωστά οι μετρήσεις και η ανάλυση μαζί».

Όταν τελικά δημιουργήθηκε ο πλήρης χημικός χάρτης, το αποτέλεσμα ήταν εντυπωσιακό.

«Εμφανίστηκαν μοτίβα που δεν ήταν ορατά με τις συνηθισμένες μεθόδους απεικόνισης», είπε ο Wang. «Το να βλέπουμε αυτά τα αποτελέσματα ήταν πολύ ικανοποιητικό. Ήταν σαν να αποκαλύπταμε ένα κρυμμένο επίπεδο πληροφορίας που υπήρχε πάντα εκεί, περιμένοντας τον σωστό τρόπο ανάλυσης».

Απολαμβάνετε το περιεχόμενο μας? Εγγραφείτε στο newsletter μας!

Παρουσιάζοντας τους πρώτους λεπτομερείς χημικούς χάρτες του εγκεφάλου με Αλτσχάιμερ χωρίς χρήση χρωστικών, αυτή η έρευνα προσφέρει μια πιο ολοκληρωμένη εικόνα της νόσου. Η ομάδα ελπίζει ότι τα ευρήματα θα βοηθήσουν στο μέλλον στην πιο έγκαιρη διάγνωση και στην ανάπτυξη πιο αποτελεσματικών στρατηγικών για την επιβράδυνση της εξέλιξής της.