Nové poznatky v oblasti buněčného přeprogramování a zlepšení paměti
V nedávné studii bylo zjištěno, že částečné buněčné přeprogramování, aplikované na neurony kódující paměť, označované jako engramy, vedlo ke zlepšení paměťových funkcí u myších modelů Alzheimerovy choroby i u myší divokého typu. Tyto výsledky byly publikovány v časopise *Neuron* týmem výzkumníků ze Swiss Federal Technology Institute of Lausanne (EPFL).
Omlazování neuronů a metodika
Částečné buněčné přeprogramování využívá specifické faktory k omlazení buněk při zachování jejich původní identity. Tato metoda prokázala potenciál u různých buněčných typů a stavů, včetně neuronů. Omlazení těchto mozkových buněk, které mají dlouhou životnost, je považováno za důležité pro prodloužení zdravé životnosti, jelikož mozek, na rozdíl od většiny orgánů, nelze snadno nahradit.
Výzkumný tým se zaměřil na cílené přeprogramování engramových buněk, které jsou specifickými neurony zodpovědnými za kódování vzpomínek. Využili k tomu koktejl tří ze čtyř takzvaných Yamanakových faktorů: Oct4, Sox2 a Klf4, označované jako OSK. Faktor cMyc byl z procesu vyloučen. Tato upravená formule má zajistit bezpečnější přeprogramování bez ztráty buněčné diferenciace a je podobná té, která má být použita v nadcházející první klinické studii buněčného přeprogramování u lidí.
Pro cílené přeprogramování vědci vyvinuli systém využívající dva adenoasociované viry, takzvaný dual-AAV system. Jeden virus nesl transkripční aktivátor, který se aktivuje během učení, a druhý kódoval faktory OSK. Celý systém byl řízen doxycyklinem. Odstranění doxycyklinu z pitné vody otevřelo okno pro označení kolem události učení, takže pouze neurony aktivní během učení byly označeny a přeprogramovány. Následné znovuzavedení doxycyklinu pak expresi vypnulo.
Zlepšení paměti u stárnoucích myší
Experimenty byly zahájeny s myšmi ve věku 9 až 10 měsíců, které podobně jako lidé vykazují s věkem spojený pokles kognitivních schopností. Stárnoucí zvířata vykazovala sníženou úroveň takzvaného zamrznutí (freezing) – což naznačuje horší zapamatování si nebezpečí – ve srovnání s mladými myšmi. U stárnoucích myší, kterým byly injikovány faktory OSK, se úroveň zamrznutí vrátila na úroveň srovnatelnou s mladými jedinci. Bylo zaznamenáno, že přeprogramované hipokampální engramy byly při vybavování paměti reaktivovány přednostně ve srovnání s nepřeprogramovanými, což naznačuje specifické posílení funkčních buněk. Přeprogramování rovněž zvrátilo s věkem spojené buněčné znaky při zachování neuronální identity. Získané výsledky naznačují, že indukce OSK nevede ke ztrátě buněčné identity, ale spíše k jejímu posílení.
Vliv na vzdálenou paměť
Výzkumníci dále zkoumali, zda se efekt přeprogramování vztahuje i na vzdálenou paměť, která závisí spíše na mediálním prefrontálním kortexu (mPFC) než na hipokampu. Pomocí stejného systému byly cíleny mPFC engramy u oddělené skupiny stárnoucích myší. I v tomto případě kontrolní stárnoucí myši vykazovaly zhoršené zamrznutí, zatímco u myší s injekcí OSK se tento stav neprojevil. Bylo zjištěno obnovení identifikačních a funkčních markerů, což dokládá, že účinek není specifický pro konkrétní oblast mozku.
Zlepšení u modelů Alzheimerovy choroby
Následně se experimenty přesunuly na myši APP/PS1, které vyvíjejí amyloidovou patologii a paměťové deficity a jsou často využívány jako model Alzheimerovy choroby. V pětidenním testu vodního bludiště (water maze) kontrolní myši APP/PS1 vykazovaly snížené využívání prostorových strategií a delší dráhy ve srovnání s kontrolními myšmi divokého typu, což svědčilo o kognitivním a paměťovém zhoršení. Zvířata APP/PS1, kterým byly injikovány faktory OSK, výrazně zvýšila používání prostorových strategií a volila kratší dráhy. Zatímco myši s Alzheimerovou chorobou vykazovaly náhodné strategie, OSK léčené myši s Alzheimerovou chorobou znovu získaly normální průběh učení. Experimenty se opět zaměřily na hipokampální i mPFC engramy se srovnatelnými výsledky.
Yuri Deigin, generální ředitel společnosti YouthBio, která se připravuje na vlastní klinické studie částečného přeprogramování u Alzheimerovy choroby, k výsledkům poznamenal, že studie řeší obavy týkající se manipulace s pamětí, konkrétně otázku, zda přeprogramování paměť „nezpřehází“. Zjištění naopak ukazují, že paměť je obnovena. Zdůraznil také, že studie explicitně zkoumala, zda OSK způsobuje ztrátu diferenciace buněk, a namísto toho bylo pozorováno posílení jejich identity. Dále uvedl, že nešlo jen o krátkodobé zlepšení, ale o obnovení vzdálené paměti po dvou týdnech prostřednictvím mPFC engramů. Společnost YouthBio a Yuri Deigin se na této studii nepodíleli.
Snížení biologického věku a mechanismus účinku
V závěrečné fázi výzkumníci vytvořili regresní model využívající metriky učení z vodního bludiště k předpovědi chronologického věku myší. Tento model dosáhl predikční síly (R = 0,57) s mediánovou chybou 10 týdnů při předpovědi věku. Při aplikaci na stárnoucí myši divokého typu, kterým byly injikovány faktory OSK, došlo k významnému snížení předpokládaného kognitivního věku. U myší s Alzheimerovou chorobou (dvou různých modelů – APP/PS1 a 5xFAD) netvořená zvířata vykazovala zrychlené kognitivní stárnutí, zatímco myši s injekcí OSK se vrátily na úroveň chronologického věku.
Důležité je, že v použitém systému OSK jsou přeprogramování a proces učení nezbytně simultánní. Strategie značení může identifikovat engramové neurony pouze v okamžiku, kdy se aktivují během kódování, takže není možné cílit OSK na tyto buňky předem. Z toho vyplývá, že kognitivní přínosy pravděpodobně pramení spíše ze zlepšeného vybavování paměti než z lepšího kódování, jelikož engramové neurony procházejí omlazením během dnů až týdnů po učení. Teoreticky, pokud by bylo možné identifikovat engramové neurony v klidovém stavu, předběžná léčba OSK před výzvou k učení by mohla přinést ještě výraznější efekty.
Yuri Deigin dodal, že výsledky jsou potvrzením jeho hypotézy z roku 2019, podle které částečné přeprogramování může působit proti Alzheimerově chorobě a kognitivnímu poklesu spojenému s věkem. Uvedl, že existuje již několik nezávislých studií na myších, které směřují stejným směrem. Podle Deigina má tato zjištění hluboké důsledky, neboť částečné přeprogramování může mít potenciál modifikovat průběh onemocnění daleko za hranicemi Alzheimerovy choroby.