Wawasan baru tentang peradangan dan penuaan otak

Ringkasan: Studi menyoroti hubungan baru antara ensefalitis dan gangguan kognitif terkait usia. Hasilnya menunjukkan bahwa koneksi tersebut bisa jadi merupakan hasil dari reaksi berantai seluler.

Sumber: Harvard

Temuan dari studi baru oleh para peneliti Harvard baru saja diterbitkan di sel memberikan wawasan tentang hubungan antara peradangan dan gangguan kognitif yang kita alami seiring bertambahnya usia, dan menyarankan kemungkinan bahwa ini mungkin merupakan hasil dari beberapa jenis reaksi berantai seluler.

“Memahami penuaan adalah salah satu tujuan terpenting dalam biomedis,” kata Xiaowei Zhuang, David B. Arnold Jr. Profesor Sains di Departemen Kimia dan Biologi Kimia, Profesor Fisika, Penyelidik Howard Hughes Medical Institute (HHMI), dan salah satu penulis koran.

“Ini juga merupakan masalah yang sangat menantang. Salah satu alasannya adalah otak sangat kompleks. Ini mengandung keragaman seluler yang sangat tinggi dengan berbagai jenis neuron dan sel non-saraf yang membentuk jaringan interaksi yang rumit.”

Untuk mempelajari sistem yang begitu rumit, para peneliti menggunakan teknik pencitraan yang disebut MERFISH, yang dikembangkan oleh Laboratorium Zhuang, yang memiliki pengalaman luas dalam menciptakan teknik pencitraan baru dan menerapkannya untuk mempelajari sistem biologis.

MERFISH (untuk Multiplexed Error Robust Fluorescence In Situ Hybridization) tidak hanya mampu mengukur ribuan jenis RNA atau ribuan gen dalam sel secara bersamaan, tetapi juga mengungkapkan hubungan spasial di antara mereka.

MERFISH memungkinkan para peneliti untuk membuat “atlas ekspresi gen” dan mempelajari “hubungan lingkungan” antar sel, jelas Catherine Dulac, profesor di Universitas Samuel W. Morris di Departemen Biologi Molekuler dan Seluler, peneliti HHMI dan penulis lain publikasi tersebut.

Dengan MERFISH, kata Dulac, “Anda tidak hanya dapat mempelajari perubahan ekspresi gen pada kelompok usia yang berbeda, tetapi juga perubahan ekspresi gen, khususnya tipe sel, yang terkait dengan hubungan spasialnya.”

William E. Allen, seorang rekan junior Harvard, dan dua peneliti lainnya, Timothy R. Blosser dan Zuri A. Sullivan dari laboratorium Zhuang dan Dulac, menerapkan pendekatan menyeluruh ini pada otak tikus dan mengidentifikasi bagaimana saraf – atau sel saraf dan non -sel saraf berubah selama penuaan. Secara khusus, penelitian ini menunjukkan bahwa penuaan dan peradangan memengaruhi cara gen diekspresikan oleh sel dengan cara yang sama dan berbeda, dan dengan cara yang bergantung secara spasial.

“Gagasan bahwa bagian dari proses penuaan otak berhubungan dengan peradangan telah dikemukakan sebelumnya,” kata Dulac. “Strategi eksperimental yang kami gunakan – MERFISH dalam kombinasi dengan pengurutan RNA sel tunggal – memungkinkan kami untuk melihat proses penuaan dengan sangat spesifik dan dengan perincian tinggi.”

“Kami menemukan bahwa sel-sel non-saraf seperti sel glial dan sel kekebalan tampaknya mengalami perubahan yang lebih besar dalam ekspresi gen dan keadaan sel daripada sel saraf. Dan perubahan ini tidak terjadi secara seragam di seluruh otak,” kata Zhuang, mencatat bahwa materi putih subkortikal menunjukkan perubahan yang lebih jelas daripada materi abu-abu, terutama pada oligodendrosit, astrosit, dan mikroglia non-saraf.

“Karena sel-sel yang beragam ini memastikan impuls listrik yang efisien melalui otak dengan memproduksi selubung mielin di sekitar akson, serta memberikan dukungan metabolisme untuk neuron, memodulasi fungsi sinaptik, dan memberikan pengawasan kekebalan,” kata Zhuang, “perubahan ini dapat berdampak langsung berdampak pada fungsi sirkuit saraf.”

“Jika oligodendrosit tidak sehat dan mulai melepaskan mielin,” itu dapat memicu reaksi berantai yang memengaruhi neuron dan sel non-saraf yang “pada dasarnya mengganggu banyak fungsi di seluruh otak,” kata Dulac.

Itu luar biasa, kata Dulac, karena “pada akhirnya, penuaan dikaitkan dengan penurunan kognisi, yang secara langsung berkaitan dengan fungsi saraf. Tetapi jika banyak perubahan terjadi pada sel-sel non-saraf, kami mungkin telah mengidentifikasi proses bertahap di mana peradangan terutama mempengaruhi sel-sel non-saraf, yang pada gilirannya menyebabkan gangguan pada fungsi saraf.”

Memutus proses ini menawarkan prospek untuk memengaruhi, jika tidak menghentikannya. “Jika ada jalur gaya hidup, seperti diet, olahraga, atau proses lainnya, untuk benar-benar mengurangi proses peradangan yang berkaitan dengan penuaan, maka penuaan otak dan gangguan terkaitnya juga bisa dikurangi,” kata Dulac.

Untuk saat ini, hasil ini merupakan peta jalan untuk penelitian yang sedang berlangsung, studi yang dimungkinkan dengan teknik seperti MERFISH. Mampu “memeriksa secara komprehensif semua jenis sel yang berbeda dan sejumlah besar gen dalam jaringan utuh merupakan sumber informasi yang kaya yang memungkinkan kita menghasilkan hipotesis baru untuk studi di masa depan,” kata Dulac.

Kolaborasi antara kedua peneliti ini dimulai lebih dari satu dekade lalu.

“Beberapa tahun lalu, Xiaowei menghubungi saya karena labnya baru saja mengembangkan teknologi mikroskop resolusi super, STORM, dan dia sangat tertarik untuk mempelajari fungsi otak dengannya,” kenang Dulac.

“Hal ini mendorong kami untuk memulai kolaborasi luar biasa di mana, untuk pertama kalinya, kami dapat mengamati sinapsis otak dengan resolusi sangat tinggi.” Makalah pertama mereka bersama, diterbitkan 12 tahun lalu, menghasilkan serangkaian proyek berkelanjutan yang mengeksplorasi hal baru. teknik dan yang saling melengkapi Melibatkan keterampilan peneliti.

Zhuang juga berbicara dengan sangat antusias tentang kolaborasinya dengan Dulac. “Dalam kolaborasi kami, satu tambah satu jauh lebih besar dari dua,” kata Zhuang.

“Sementara banyak dari kolaborasi kami dimulai melalui percakapan antara Catherine dan saya sendiri, kolaborasi dalam studi penuaan otak tikus ini diprakarsai oleh Will Allen, seorang rekan junior utama yang tertarik dengan penelitian di kedua laboratorium kami.”

Lihat juga

Tentang berita ini dari penelitian peradangan dan penuaan otak

Pengarang: Tentu Simon
Sumber: Harvard
Kontak: Clea Simon-Harvard
Gambar: Gambar berada di domain publik

Penelitian asli: Akses terbuka.
“Tanda tangan molekuler dan spasial dari penuaan otak tikus pada resolusi sel tunggal“oleh William E. Allen dkk. sel

abstrak

Tanda tangan molekuler dan spasial dari penuaan otak tikus pada resolusi sel tunggal

highlight

• Arsitektur molekuler dan seluler dari korteks frontal dan striatum yang menua dipetakan
• Penuaan menginduksi perubahan keadaan sel yang bergantung secara spasial pada sel non-saraf
• Materi putih adalah hotspot untuk aktivasi sel glial dan kekebalan yang berkaitan dengan usia
• Ensefalitis yang diinduksi penuaan dan LPS menunjukkan persamaan dan perbedaan

ringkasan

Keragaman dan organisasi sel yang kompleks di otak telah menghambat karakterisasi sistematis perubahan terkait usia dalam arsitektur seluler dan molekulernya dan membatasi kemampuan kita untuk memahami mekanisme yang mendasari penurunan fungsionalnya selama penuaan.

Di sini kami membangun atlas seluler resolusi tinggi dari penuaan otak di dalam korteks frontal dan striatum menggunakan transkriptomik sel tunggal yang diselesaikan secara spasial dan perubahan terukur dalam ekspresi gen dan organisasi spasial dari tipe sel utama di wilayah ini selama masa hidup tikus.

Kami mengamati perubahan yang jauh lebih nyata dalam keadaan sel, ekspresi gen, dan organisasi spasial sel non-saraf di seluruh neuron.

Data kami mengungkapkan tanda tangan molekuler dan spasial dari aktivasi sel glial dan kekebalan selama penuaan, terutama diperkaya dalam materi putih subkortikal, dan mengidentifikasi kesamaan dan perbedaan penting dalam pola aktivasi sel yang disebabkan oleh penuaan dan stres inflamasi sistemik.

Hasil ini memberikan wawasan penting tentang degradasi dan peradangan terkait usia di otak.