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Nov 02, 2023

Gehirnendothelzellen sind vielfältig und werden durch Amyloid gestört

28. März 2023 Endothelzellen wurden in den meisten Studien relativ übersehen

28. März 2023

Endothelzellen wurden in den meisten Studien zur Einzelzell-Genexpression im Gehirn relativ übersehen. Nun versuchen Forscher unter der Leitung von Rachel Bennett vom Massachusetts General Hospital in Charlestown Abhilfe zu schaffen. In einem am 16. Februar auf bioRXiv veröffentlichten Vorabdruck beschreiben sie eine Einzelkern-RNA-Seq-Studie an Endothelzellen aus fünf kortikalen Regionen des postmortalen menschlichen Gehirns. Die Zellen zeigten im gesunden Hirngewebe ausgeprägte regionale Spezialisierungen. Bei Vorliegen einer AD-Pathologie veränderten sich die Zellen dramatisch, wobei etwa 10 Prozent ihrer Gene aktiviert oder unterdrückt wurden. Bemerkenswert ist, dass Amyloid-Plaques eine andere Reaktion hervorriefen als die zerebrale Amyloid-Angiopathie (CAA). Die Ergebnisse könnten helfen, regionale Anfälligkeiten zu erklären, und könnten künftige Studien zum vaskulären Beitrag zur Krankheit leiten, schlugen die Autoren vor.

Andrew Yang von der University of California in San Francisco lobte die Genauigkeit der Arbeit und stellte fest, dass es sich um eine der ersten AD-Einzellexpressionsstudien handelt, die mehrere Gehirnregionen untersucht. „Es ist auch eine der ersten Studien, die molekulare Veränderungen in Endothelzellen des menschlichen Gehirns mit Pathologie in Verbindung bringt … Dies liefert einen aufschlussreichen Kontext dafür, was diese Veränderungen bedeuten könnten“, schrieb Yang an Alzforum (vollständiger Kommentar unten).

In den letzten Jahren gab es eine Reihe von Einzelkern-RNA-Seq-Studien an AD-Gehirnen, aber Endothelzellen machen normalerweise nur einen kleinen Teil der isolierten Zellen aus (Nachrichten vom Mai 2019; Nachrichten vom November 2019). Bei einer genaueren Betrachtung von fast 4.000 Endothelzellen wurden zahlreiche Veränderungen im AD-Gehirn festgestellt, insbesondere eine Verstärkung der Gene, die die Angiogenese und die Antigenpräsentation steuern (Nachrichten vom Oktober 2020). Unterdessen isolierte Yang in Tony Wyss-Corays Labor an der Stanford University mehr als 36.000 Endothelzellen und beschrieb, wie sich ihre Genexpression abhängig von der Art des Blutgefäßes, in dem sie lebten – Arterie, Vene oder Kapillare – veränderte (Nachrichten vom Mai 2021).

Einzigartige Signaturen . Im Gehirn der Alzheimer-Krankheit variiert die Hoch- (rosa) und Herunterregulierung (blau) der Endothelzellen-Gene je nach Region. Die Expression veränderte sich am stärksten im primären visuellen Kortex (V1) und im visuellen Assoziationskortex (V2), wobei weniger Gene im präfrontalen Kortex (PFC), im inneren Temporalgyrus (ITG) und im entorhinalen Kortex (EC) betroffen waren. [Mit freundlicher Genehmigung von Bryant et al., 2023 bioRXiv.]

Dennoch hatte niemand die regionale Variation von Endothelzellen im menschlichen Gehirn systematisch profiliert. Die Erstautorin Annie Bryant nahm sich dieser Aufgabe an und isolierte insgesamt 51.586 Endothelzellen aus fünf kortikalen Regionen von 32 postmortalen Gehirnen. Sechzehn der Gehirne wiesen eine Alzheimer-Pathologie im Braak-Stadium III oder höher auf, fünf hatten eine mittlere Pathologie im Braak-Stadium II und 11 waren pathologiefrei, dh im Braak-Stadium I oder 0. Alle Spender waren zum Zeitpunkt des Todes 60 Jahre oder älter .

Einzelkern-RNA-Seq von Endothelzellen der 11 gesunden Gehirne zeigten deutliche regionale Unterschiede, wobei die Expression von 200 bis 400 Genen je nach Standort variierte. Im entorhinalen Kortex waren Gene für die Zytokinproduktion und die Reaktion auf oxidativen Stress im Vergleich zu anderen Regionen hochreguliert, während im Gyrus temporalis inferior die mit Migration, Axonogenese und Wnt-Signalisierung verbundenen Gene stillgelegt waren. Der präfrontale Kortex wurde durch Gene für die Mikrotubuli-Organisation und Histonmodifikation charakterisiert, der visuelle Assoziationskortex durch Translations- und Vaskulogenesegene und der visuelle Kortex durch virale Reaktion und Angiogenese. „Kortikale Regionen sind nicht alle gleichwertig und weisen zu Studienbeginn im gealterten Gehirn wesentliche Unterschiede auf“, stellten die Autoren fest.

Diese regionalen Unterschiede wurden von denen im AD-Gehirn in den Schatten gestellt. Dort haben Endothelzellen etwa 1.000 Gene aktiviert und weitere 1.000 unterdrückt. Viele der erhöhten Gene stehen im Zusammenhang mit entzündlichen oder kompensatorischen Reaktionen, wie z. B. der Zytokinproduktion, der Proteinfaltung und der Aufrechterhaltung der Blut-Hirn-Schranke. Viele der unterdrückten Gene waren am Lipid- und Glykoproteinstoffwechsel beteiligt. Auch hier zeigten die Endothelzellen regionale Unterschiede. Überraschenderweise wiesen frühe Braak-Regionen wie der entorhinale Kortex weniger Veränderungen auf als spätere Regionen wie der visuelle Kortex.

Bei der Analyse der Daten nach Krankheitsstadium fanden die Autoren unterschiedliche Muster der Veränderung, wobei einige Gene eine höhere Expression aufwiesen, je fortgeschrittener die AD-Pathologie war, andere weniger. Einige Gene tauchten bei Vorliegen einer intermediären Pathologie auf oder sanken ab, kehrten jedoch in Gehirnen mit fortgeschrittener Erkrankung zur Ausgangsexpression zurück.

Darüber hinaus identifizierten die Autoren unterschiedliche Sätze von Genen, die von benachbarten Amyloidplaques im Vergleich zu CAA betroffen sind. Von den 89 Genen, die mit der Plaquebelastung in Zusammenhang stehen, waren viele am Stoffwechsel, am endosomalen Transport oder an der Hemmung der Apoptose beteiligt. Von den 37 mit CAA verbundenen Genen waren viele mit biologischen Signalwegen verknüpft, die die Aβ-Produktion, die Eisenhomöostase und den Transport über die Blut-Hirn-Schranke regulieren. Merkwürdigerweise war die endotheliale Genexpression nicht mit dem anderen Kennzeichen der Alzheimer-Pathologie, dem phosphorylierten Tau, verbunden.

Axel Montagne und Nela Fialova von der Universität Edinburgh schlugen vor, dass weitere Studien auch Endothelzellen in der weißen Substanz untersuchen sollten, da dort Läsionen mit AD in Verbindung gebracht werden. „Angesichts der Bedeutung des vaskulären Beitrags und der regionsspezifischen pathologischen Manifestation bei AD ist die Bestimmung transkriptomischer Veränderungen von Endothelzellen von größter Bedeutung, um unser Verständnis der zugrunde liegenden Mechanismen zu erweitern“, schrieben sie.

Yang wies darauf hin, dass Bennetts Datensatz auf regionale Krankheitsbiomarker oder vielversprechende Ziele für die Medikamentenabgabe an das Gehirn hinweisen könnte. „Wie bei allen derartigen Studien ist es immer noch schwierig zu wissen, welche Genexpressionsänderungen schützend oder pathologisch sind … aber dieser umfangreiche Datensatz bildet die Grundlage für funktionelle Studien“, schrieb er. – Madolyn Bowman Rogers

Dies ist eine wichtige und umfassende Studie des Bennett Lab, die die Vielfalt der Endothelzellen in verschiedenen menschlichen Gehirnregionen und die Komplexität ihrer Reaktion auf die AD-Pathologie veranschaulicht. Es ist eine der ersten Einzelzellstudien, die einen umfassenderen Blick auf die Komplexität des menschlichen Gehirns wirft – hier räumlich durch die Analyse verschiedener kortikaler Regionen und die Definition der molekularen Anpassungen in Endothelzellen des menschlichen Gehirns, die den Bedürfnissen jeder Region gerecht werden. Damit geht es über die meisten veröffentlichten AD-Einzelzellstudien hinaus, die eine genau definierte kortikale Region (üblicherweise den dorsolateralen präfrontalen Kortex) analysieren.

Diese Arbeit wirft interessante Fragen zur Hirngefäßfunktionsstörung auf und ob sie mit der Braak-Stufe übereinstimmt oder einem eigenen Muster folgt. Im Allgemeinen könnten diese Daten auch Informationen zu hirnregionspezifischen Medikamentenverabreichungszielen oder besseren Biomarkern für Krankheiten liefern, die unterschiedliche Stadienmuster in der Hirnregion aufweisen.

Es ist auch eine der ersten Studien, die molekulare Veränderungen in Endothelzellen des menschlichen Gehirns mit Pathologien in Verbindung bringt, darunter Amyloid-Plaques, zerebrale Amyloid-Angiopathie und Tau-Pathologie. Dies bietet einen aufschlussreichen Kontext dafür, was diese Änderungen bedeuten könnten.

Es war interessant, im Vergleich zu anderen Regionen weniger AD-assoziierte Veränderungen in Endothelzellen in gefährdeten Hirnregionen wie dem entorhinalen Kortex zu beobachten. Es gibt verschiedene Interpretationen, und es wird wichtig sein, sie zu untersuchen, wenn wir die Rolle von Gehirnendothelzellen bei der Anfälligkeit von Gehirnregionen verstehen wollen. Ebenso sollten die geringfügigen APOE4-assoziierten Endothelveränderungen weiter untersucht werden, da frühere Berichte vorliegen, die APOE4 mit einer endothelialen Dysfunktion in Verbindung bringen (Bell et al., 2012; Rieker et al., 2019; Blanchard et al., 2020; Barisano et al., 2022). ; Yang et al., 2022). Es lohnt sich auch zu untersuchen, warum es bei arteriellen und venösen Endothelzellen mit Pathologie fast keine transkriptomischen Veränderungen gibt.

Zukünftige Studien könnten über kortikale Hirnregionen hinausgehen, andere verschiedene Gefäßzelltypen – wie Perizyten und Makrophagen – einbeziehen und neben der Gendysregulation auch die Anfälligkeit von Gefäßzellen bewerten.

Wie bei den meisten Sequenzierungsstudien ist es immer noch schwierig zu wissen, welche Genexpressionsänderungen schützend oder pathologisch sind – zum Beispiel die häufig hochregulierten Proteostase-Gene. Dennoch bildet dieser umfangreiche Datensatz die Grundlage für solche Funktionsstudien.

Bell RD, Winkler EA, Singh I, Sagare AP, Deane R, Wu Z, Holtzman DM, Betsholtz C, Armulik A, Sallstrom J, Berk BC, Zlokovic BV. Apolipoprotein E steuert die zerebrovaskuläre Integrität über Cyclophilin A . Natur. 24. Mai 2012;485(7399):512-6. PubMed. Korrektur.

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Yang AC, Vest RT, Kern F, Lee DP, Agam M, Maat CA, Losada PM, Chen MB, Schaum N, Khoury N, Toland A, Calcuttawala K, Shin H, Pálovics R, Shin A, Wang EY, Luo J , Gate D, Schulz-Schaeffer WJ, Chu P, Siegenthaler JA, McNerney MW, Keller A, Wyss-Coray TA: Der Gefäßatlas des menschlichen Gehirns zeigt verschiedene Mediatoren des Alzheimer-Risikos . Natur. 2022 März;603(7903):885-892. Epub 2022 14. Februar PubMed.

Diese Arbeit des Bennett-Labors untersuchte regionenspezifische Unterschiede im Endothelzell-Transkriptom bei normalem, gesundem Alter und Alzheimer-Gehirnen mithilfe der snRNA-Sequenzierung verschiedener kortikaler Regionen. In den letzten Jahren untersuchten mehrere Studien endotheliale genetische Veränderungen unter Verwendung des Gehirns von Mäusen (He et al., 2018; Vanlandewijck et al., 2018) und auch des menschlichen Gehirns (Lau et al., 2020; Yang et al., 2022). ; Die regionalen Unterschiede zwischen mehreren kortikalen Bereichen wurden jedoch nicht untersucht. Interessanterweise heben die Autoren hervor, dass 80,5 Prozent der isolierten Endothelkerne aus Kapillaren stammten, was die Erkenntnisse widerspiegelt, dass kapillare Endothelzellen etwa 85 Prozent der Blut-Hirn-Schranke ausmachen (Montagne et al., 2017). Darüber hinaus wurden beim Vergleich von AD-Gehirnen mit Nicht-AD-Gehirnen Endothelzellen-differenziell exprimierte Gene (DEGs) in den kortikalen Bereichen identifiziert. Gene im Zusammenhang mit Angiogenese und Vaskulogenese wurden im visuellen Kortex hochreguliert, wohingegen Gene im Zusammenhang mit oxidativem Stress stärker im entorhinalen Kortex exprimiert wurden. Interessanterweise waren Gene im Zusammenhang mit der Hitzeschock-Proteinfamilie in allen untersuchten kortikalen Bereichen gleichmäßig erhöht, unabhängig von Aβ- oder Tau-Proteinaggregaten, was auf eine hirnweite Anfälligkeit für proteostatischen Stress hindeutet. Angesichts der Bedeutung des vaskulären Beitrags und der regionsspezifischen Pathologiemanifestation bei AD ist die Bestimmung transkriptomischer Veränderungen von Endothelzellen von größter Bedeutung, um unser Verständnis der zugrunde liegenden Mechanismen zu erweitern.

In dieser Veröffentlichung wurde festgestellt, dass die Endothelzellen von AD-Gehirnen eine Hochregulierung von Proteinfaltungsgenen und spezifische transkriptomische Variationen der Endothelzellen als Reaktion auf zerebrale Amyloidangiographie (CAA) und Aβ-Plaques zeigen. Ziel der Studie war es, sich auf kortikale Bereiche zu konzentrieren, um dem Braak-Stadienschema der Tau-Akkumulation zu folgen. Allerdings wäre die Untersuchung des Endothelzelltranskriptoms in Bereichen der weißen Substanz (WM) auch von Vorteil, da mit diesen Hirnregionen frühe AD-pathologische Merkmale verbunden sind, darunter WM-Läsionen und Veränderungen des zerebralen Blutflusses (Gaubert et al., 2021; Korte et al ., 2020). Im Idealfall wäre Einzelzell-RNA-Seq auch für den Zugriff auf die zytoplasmatischen Transkripte genutzt worden, was mehr Informationen über andere biologische Wege liefern würde, die am Fortschreiten der Alzheimer-Krankheit beteiligt sind, wie z. B. Stress im endoplasmatischen Retikulum (Ajoolabady et al., 2022; Lindholm et al ., 2006). Schließlich wurde die räumliche Beziehung zwischen molekularen Veränderungen der Endothelzellen und Aβ-Plaques/CAA nicht untersucht, was unser Verständnis der unterschiedlichen genetischen Expression des Endothels auf die Ansammlung von Pathologien entlang des Gefäßbaums beschränkt.

Dieses Papier ergänzt den Datenpool, der durch aktuelle Veröffentlichungen von Gefäßatlanten des menschlichen Gehirns generiert wurde (Yang et al., 2022; Vanlandewijck et al., 2018). Im Gegensatz zu Yang et al. (2022) untersucht diese Studie speziell die unterschiedlichen Hirnregionen und nicht die Bündelung von Gewebe und liefert so mehr Informationen über den räumlichen Aspekt des Translatoms, was bisher noch nicht erreicht wurde. Es scheint, dass sich die Arbeit ausschließlich auf die genetische Signatur der Endothelzelle konzentriert und dabei ein wenig auf die Gene eingeht, die andere Zelltypen, einschließlich Astrozyten, Mikroglia, Neuronen und Oligodendrozyten, gemeinsam haben. Allerdings stehen Endothelzellen auch in einer engen Beziehung zu Perizyten, die hier nicht viel Beachtung fanden, im Gegensatz zu Yang et al., die anhand genetischer Signaturen zwei verschiedene Arten von Perizyten identifizierten, den Transport- und den Matrix-Subtyp. Darüber hinaus wurde zuvor der Verlust von Gefäßkernen des Gehirns bei verschiedenen Zelltypen, einschließlich Endothelzellen, glatten Muskelzellen und Perizyten, beobachtet, wobei die Matrixperizyten besonders anfällig waren, was eine molekulare Grundlage für den Zusammenbruch der strukturellen Blut-Hirn-Schranke (BBB) ​​bestätigt bei Demenz beobachtet (Montagne et al., 2015; Nation et al., 2019; Montagne et al., 2020). Es gibt immer mehr Hinweise auf eine frühe BHS- und Perizytenfunktionsstörung bei AD und anderen Demenzerkrankungen, was die Bedeutung der Betrachtung des Perizytoms neben dem Endothelzelltranskriptom befürwortet (Barisano et al., 2022; Montagne et al, 2015; Procter et al., 2021). Interessanterweise wurden in der aktuellen Arbeit im Gegensatz zu Yang und Mitarbeitern keine Veränderungen der Zellkernzahlen beobachtet/erwähnt, die aus gesunden Gehirnen älterer Menschen und AD-Gehirnen isoliert wurden. Eine ausführlichere Diskussion über den Zusammenhang zwischen den regionalen Veränderungen der Genexpression von Endothelzellen, insbesondere im entorhinalen Kortex, und den tatsächlichen BHS-Funktionen wäre wünschenswert gewesen. Mithilfe der Kontrast-MRT konnte beispielsweise gezeigt werden, dass der mediale Temporallappen mit zunehmendem Alter anscheinend zuerst an einer BHS-Dysfunktion leidet (Montagne et al., 2015) und sich mit der Demenz beschleunigt (Nation et al., 2019; Montagne et al., 2020). ).

Kürzlich wurden in einem molekularen Atlas der Zelltypen und der Zonierung der Hirngefäße bei Mäusen neue arterio-venöse Hirnmarker von Endothelzellen, aber auch von Perizyten und fibroblastenähnlichen Zellen identifiziert (Vanlandewijck et al., 2018). Die aktuelle Veröffentlichung identifiziert den Anteil von Arterien, Kapillaren und Venen in den verschiedenen kortikalen Bereichen, sagt uns aber leider nicht, ob sich dieses Verhältnis mit AD ändert, was für die Identifizierung gezielterer Therapeutika notwendig ist. Es wäre auch von Vorteil zu sehen, ob es Überschneidungen zwischen dem Endothel- und Wandzelltranskriptom von Mensch und Maus in Bezug auf die arterio-venöse Segmentierung zwischen verschiedenen Gehirnregionen gibt.

Insgesamt bestätigt diese Studie die Bedeutung der Untersuchung der Gefäßzonierung. Das Gefäßsystem besteht nicht aus einer Einheit, sondern aus mehreren Gefäßbetten entlang der arteriovenösen Achse. Endothelzellen des Gehirns haben unterschiedliche molekulare Signaturen, wenn wir Arteriolen, Kapillaren und Venolen sowie die Übergangszone zwischen den Hauptbetten betrachten. Dies gilt auch für die sehr eng verbundenen Perizyten, die je nach ihrer Lage entlang des arterio-venösen Baums unterschiedliche Subtypen aufweisen, einschließlich der umhüllenden, dünnsträngigen und netzartigen Typen, die unterschiedliche Rollen, Funktionen und auch molekulare Signaturen haben ( He et al., 2016; Vanlandewijck et al., 2018).

Obwohl Endothelzellen und Perizyten sehr eng miteinander verbunden sind und eine Rolle der Perizyten bei der Neurodegeneration offensichtlich ist, scheint diese Komponente der neurogliovaskulären Einheit immer noch etwas übersehen zu werden. Es wird deutlich, dass es von größter Bedeutung ist, sich eingehend auf das Perizyten-Transkriptom zu konzentrieren, also verschiedene Gefäßbetten und Hirnregionen zu untersuchen. Darüber hinaus müssen wir, wie oben erwähnt, mit der Beurteilung des Transkriptoms von Endothelzellen in anderen Hirnregionen beginnen, einschließlich gesunder und beschädigter WM-Regionen, die ein vorherrschender bildgebender Marker für AD und Neurodegeneration sind. Und wir müssen die unterschiedlichen Gensignaturen mit der räumlichen Amyloidverteilung und den Immunantworten in Zusammenhang bringen. Schließlich sind in Übereinstimmung mit den Autoren Studien erforderlich, die sich mit den transkriptomischen Veränderungen von Endothel- und assoziierten Zellen des Gefäßsystems bei Menschen befassen, bei denen die Wahrscheinlichkeit erhöht ist, an AD zu erkranken (z. B. APOE4-Träger), um die Auswirkung dieses Risiko-Allels auf die Krankheit aufzudecken Entwicklung und Fortschritt.

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Das menschliche Gehirn verfügt über mehr als 400 Meilen spezialisierter Blutgefäße, um den enormen Stoffwechselbedarf des Zentralnervensystems zu decken, einschließlich der Zufuhr von Sauerstoff und Nährstoffen, der Entfernung von Kohlendioxid und Abfallprodukten sowie des Transports von Immunzellen. Da diese Stoffwechselanforderungen je nach neuronaler Aktivität räumlich und zeitlich variieren, verfügt das Gehirngefäßsystem über eine enorme strukturelle und funktionelle Vielfalt, die weitaus weniger verstanden ist als die peripheren Gefäßsysteme. Tatsächlich gibt es Konzepte wie das „Neurovaskulom“, das sich auf die Arterien, Kapillaren, Venen und Lymphgefäße bezieht, die die gesamte Gefäßversorgung des Gehirnparenchyms und der Hirnhäute ausmachen, und des „neurovaskulären Komplexes“, der sich auf eine vielfältige Gruppe von Gefäßen bezieht Funktionseinheiten, die vaskuläre, perivaskuläre und neurale Zellen über extrakranielle, intrakranielle und intraparenchymale Äste umfassen, wurden eingeführt, um die außergewöhnliche funktionelle, strukturelle und molekulare Vielfalt des Gehirngefäßsystems widerzuspiegeln. Funktionsstörungen des Gehirngefäßsystems stehen in engem Zusammenhang mit mehreren neurologischen Erkrankungen, insbesondere der Alzheimer-Krankheit (AD); Autopsiestudien haben bei mehr als der Hälfte der mit AD diagnostizierten Patienten zerebrovaskuläre Veränderungen ergeben. Daher werden erhebliche Anstrengungen unternommen, um das menschliche Neurovaskulom zu charakterisieren. Fortschritte bei den Sequenzierungsmethoden können neue Einblicke in die Komplexität der Transkriptionsheterogenität im gesamten zerebrovaskulären Baum liefern. Beispielsweise weisen Endothelzellen ein transkriptomisches Kontinuum auf, das sich über Zonen des Arterien-Arteriolen-Kapillar-Venulen-Venen-Netzwerks verschiebt.

Wie in diesem eleganten Artikel berichtet, haben Bryant et al. verwendeten Einzelkern-RNA-Sequenzierung (snRNA-Seq), um eine zusätzliche Achse der Heterogenität in transkriptomischen Profilen von Endothelzellen zu demonstrieren, nämlich die der regionalen Variation. Aus gefrorenem postmortalem Gewebe generierten die Autoren snRNA-Seq-Daten von insgesamt 32 Spendern (16 AD-Spender mit hoher Pathologie im Braak-Stadium V/VI, fünf AD-Spender mit mittlerer Pathologie im Braak III/IV und 11 AD-Spender mit niedriger Pathologie Spender bei Braak 0-I) über fünf kortikale Regionen – entorhinaler Kortex, unterer Temporalgyrus, präfrontaler Kortex, visueller Assoziationskortex und primärer visueller Kortex – um einen Datensatz von 19.271 Genen zu erstellen, die in 51.586 Endothelzellkernen gemessen wurden.

Die Analyse von Gehirnen mit geringer Pathologie zeigt, dass es zwar keine klaren Unterschiede in den Endothelzellprofilen zwischen den Regionen gab, aber regionsspezifische Unterschiede in den relativen Anteilen der Gefäßzonen sowie in potenziellen regionsspezifischen Markergenen von Endothelzellen. Beispielsweise wurde APOE als Kandidatengen für Endothelzellen im entorhinalen Kortex identifiziert, jedoch nicht in den anderen untersuchten Regionen.

Der Vergleich von Profilen mit hoher Pathologie und Profilen mit niedriger Pathologie ergab 936 hochregulierte und 962 herunterregulierte Gene in Fällen mit hoher Pathologie, wobei Proteine ​​der Hitzeschockfamilie die häufigste Klasse darstellten. Die Signalweganalyse zeigte, dass hochpathologische Endothelzellen stärker an der Proteinfaltung, der Aufrechterhaltung der Blut-Hirn-Schranke und der Leukozytenadhäsion beteiligt waren, während die Stoffwechselwege von Lipid und Glykoprotein herunterreguliert waren. Interessanterweise war die ATP-Bindungskassette (ABC)A1, die für die Lipidierung von ApoE und ApoA-I verantwortlich ist, bei AD mit hoher Pathologie reduziert. Darüber hinaus wurden in allen fünf Regionen in Fällen mit hoher Pathologie Proteinfaltung, oxidative Phosphorylierung, zelluläre Reaktion auf Hitze, Apoptose-Signalisierung, Vaskulogenese, Alterung und Zytokinproduktionswege angereichert. Die Aufrechterhaltung der Blut-Hirn-Schranke war nur im präfrontalen Kortex, im unteren Temporalgyrus und etwas im primären visuellen Kortex verbessert, nicht jedoch im entorhinalen Kortex oder sekundären visuellen Kortex.

AD-bedingte endotheliale transkriptomische Veränderungen nahmen entlang des Kontinuums des Braak-Stadiums ebenfalls zu, zeigten jedoch eine begrenzte Überlappung mit regionsspezifischen Genen. Die Analyse, wie Endothelzellgene mit der pathologischen AD-Belastung zusammenhängen, ergab sechs Gesamttrends, die auf unterschiedliche zeitliche Zusammenhänge mit dem Fortschreiten der AD-Erkrankung schließen lassen. Interessanterweise wurde festgestellt, dass sich CAA-bedingte Veränderungen von Veränderungen im Zusammenhang mit parenchymalen Amyloid-Plaques unterschieden, und Amyloid hatte einen größeren Einfluss auf die Genexpression von Endothelzellen als entweder phosphoryliertes Tau oder das Vorhandensein des APOE4-Allels, obwohl die Anzahl der APOE4-Individuen gleich war zu niedrig, um die Rolle des APOE-Genotyps vollständig zu berücksichtigen. Gene, die mit anderen zerebrovaskulären Beeinträchtigungen wie Schlaganfall, Hyperintensitäten der weißen Substanz oder zerebralen Erkrankungen kleiner Gefäße assoziiert sind, wurden im vorliegenden Datensatz nicht angereichert. Schließlich fanden sie heraus, dass 32 endothelspezifische Gene, die für sekretierte Proteine ​​kodieren, in hochpathologischen Fällen erhöht waren, was, wenn es bestätigt wird, zu neuen Biomarkern für die AD-Diagnose führen könnte.

Insgesamt haben Bryant et al. fanden heraus, dass Endothelzellen des Gehirns in verschiedenen kortikalen Regionen unterschiedliche Profile aufweisen und dass die AD-Pathologie diese Profile, insbesondere in Kapillaren, beeinflusst. Diese regionalen Unterschiede können dazu beitragen, die regionale Anfälligkeit für AD-Pathologie zu erklären, und werden einen nützlichen Leitfaden für zukünftige Studien bilden, die sich auf die Pathophysiologie zerebraler Endothelzellen konzentrieren.

Die entscheidende Rolle zerebrovaskulärer Endothelzellen für die neurologische Gesundheit erhält zunehmend angemessene Aufmerksamkeit, was teilweise auf vaskuläre unerwünschte Ereignisse im Zusammenhang mit Anti-Amyloid-Immuntherapien zurückzuführen sein könnte. Zusätzlich zu den deutlichen Veränderungen, die durch parenchymale und vaskuläre Amyloidpathologie hervorgerufen werden, wird es wichtig sein zu bewerten, wie sich die transkriptomischen Profile von Endothelzellen bei Vorliegen von Arteriolosklerose oder venöser Kollagenose unterscheiden, die häufige Pathologien sind, die bei zerebralen Erkrankungen kleiner Gefäße beobachtet werden. Das Verständnis, wie zerebrale Endothelzellen auf Faktoren reagieren, die das Risiko eines kognitiven Verfalls erhöhen, wie Bluthochdruck, Typ-2-Diabetes und ischämische Reperfusionsschäden, kann auch wichtige Einblicke in die zerebrovaskulären pathophysiologischen Pfade liefern, die sich auf die Dysregulation der Blut-Hirn-Schranke, Gefäßentzündungen usw. auswirken. und Drainage interstitieller und cerebrospinaler Flüssigkeiten.

Angesichts der Tatsache, dass bei Frauen die Wahrscheinlichkeit, an AD zu erkranken, fast doppelt so hoch ist wie bei Männern, sollten zukünftige Studien so konzipiert werden, dass sie ausreichend aussagekräftig sind, um zu untersuchen, wie das biologische Geschlecht das Transkriptom der Endothelzellen beeinflusst. Schließlich ist noch nicht bekannt, wie die transkriptomischen Profile zerebraler Endothelzellen beim Menschen je nach Alter variieren können, und könnte zusätzliche Einblicke in mögliche zielgerichtete Signalwege von Interesse liefern.

Dieser Artikel bietet eine eingehende Analyse des Transkriptionszustands vaskulärer Endothelzellen mit regionaler Auflösung in gealterten Nicht-AD- und AD-Gehirnen. Bryant et al. Wichtig ist, dass sie Heterogenität in fünf verschiedenen Gehirnregionen bei älteren Menschen ohne AD, regionale Veränderungen bei AD und unterschiedliche Endothelzellreaktionen auf zerebrale Amyloidangiopathie (CAA) im Vergleich zu Amyloidplaque feststellen.

Dieser Datensatz ist von großer Relevanz, da wir die regionale Heterogenität der Krankheitspathologie berücksichtigen und wie sich diese auf die Funktion von Endothelzellen bei der Aufrechterhaltung der Blut-Hirn-Schranke (BBB), der Regulierung des Blutflusses sowie dem Crosstalk zwischen benachbarten Perizyten und Astrozyten auswirkt. Bemerkenswerterweise zeigten Spender mit hoher Pathologie hochregulierte Proteine ​​der Hitzeschockfamilie und entzündliche Zytokine sowie dysregulierte Stoffwechselwege, basierend auf der Gen-Set-Anreicherungsanalyse. Diese Ergebnisse legen nahe, dass Stressreaktionen der Endothelzellen zu Neuroinflammation und Stoffwechselstörungen beitragen können. Interessanterweise war eine Untergruppe der Transkriptionsänderungen nicht nur auf Endothelzellen beschränkt, sondern wurde auch in Mikroglia beobachtet.

Da unser Verständnis der zelltypspezifischen biologischen Reaktionen, die bei AD und beim Altern auftreten, durch die Anwendung der Einzelzell- und Einzelkern-RNA-Sequenzierungstechnologie tiefer wird, eröffnet dies neue Wege für potenzielle therapeutische Ansätze. Diese Studie liefert auch weitere Einblicke in die biologische Relevanz von genomweiten AD-Assoziationsstudien-Risikovarianten, da wir von ihrer veränderten Expression in Endothelzellen (d. h. PICALM und CLU) erfahren. Da wir relativ wenig über die Biologie vaskulärer Endothelzellen und ihre Reaktion auf Alterung und Krankheiten wissen, ist es angesichts des Vorhandenseins von vaskulär abgelagertem Plaque und der Herausforderungen bei seiner sicheren Entfernung mit Anti-Amyloid-Therapien von entscheidender Bedeutung, tiefer zu gehen. Diese Studie unterstreicht auch, dass Forscher bei der Auswahl von Gehirnproben für die Analyse Vorsicht walten lassen müssen, da eine Untersuchung des gesamten Gehirns nicht das vollständige Bild liefert, wie dies bei der Untersuchung mehrerer Gehirnregionen der Fall ist.

Eine nächste große Frage, die diese Studie aufwirft, ist, ob sich aus diesen Erkenntnissen medikamentöse Signalwege oder Ziele ergeben, die die Biologie der Endothelzellen modulieren könnten. Angesichts der Tatsache, dass zahlreiche neurologische Erkrankungen mit pathologischen Veränderungen in der Blut-Hirn-Schranke in Verbindung gebracht werden, die sowohl die Funktion als auch die Integrität der neurovaskulären Einheit beeinträchtigen, bieten diese aktuellen Erkenntnisse außerdem eine Grundlage für die Entwicklung neuer Hypothesen zu möglicherweise beteiligten pathologiespezifischen biologischen Signalwegen. Schließlich ist eine Schlüsselfrage, die es zu klären gilt, ob die regionale Heterogenität den Transport von Therapeutika über Gehirnregionen unterschiedlich beeinflusst, was sich auf die Wirksamkeit auswirken könnte, wenn sich die AD-Therapielandschaft erweitert.

In dieser Studie führten die Autoren eine hochauflösende Analyse durch, um die transkriptomischen Veränderungen in Endothelzellen in verschiedenen Hirnregionen bei der Alzheimer-Krankheit auf Einzelzellebene zu untersuchen. Ihre Ergebnisse liefern wertvolle Einblicke in die biologischen Veränderungen, die im Gehirngefäßsystem bei AD auftreten, und bieten möglicherweise eine molekulare Grundlage für den kausalen Zusammenhang zwischen der Dysregulation der Gehirngefäße und AD (Fisher et al., 2022; Kelleher und Soiza, 2013). Die Autoren präsentieren einen gut gestalteten und informativen Datensatz, der die Gesamttransformation von Endothelzellen bei AD beschreibt, was eine Untersuchung dieses Zelltyps mit höherer Auflösung ermöglicht.

Diese Studie identifizierte herkömmliche Endothelmarker, die in mehreren Gehirnregionen gemeinsam sind, wie z. B. FLT1, CLDN5 und ABCB1. Die Entdeckung regionsspezifischer Gene verdeutlicht die subtilen Unterschiede in den biologischen Prozessen, die von Endothelzellen in verschiedenen Gehirnregionen ausgeführt werden, wie beispielsweise ihre Tendenz, die Zytokinproduktion im entorhinalen Kortex positiv zu regulieren und das Mikroröhren-Zytoskelett während der Mitose im präfrontalen Kortex zu organisieren.

In Bezug auf AD ergab unsere frühere Forschung zur Einzelnukleotid-RNA-Sequenzierung des AD-Gehirns die Induktion einer Subpopulation angiogener Endothelzellen, die durch eine erhöhte Expression von Genen gekennzeichnet ist, die mit Angiogenese und Immunantwortwegen bei der AD-Pathogenese assoziiert sind (Lau et al. 2020). Mit ihrer erweiterten Datensammlung zeigen die Autoren, dass einige biologische Prozesse, wie Proteinfaltung und Vaskulogenese, bei AD im Allgemeinen in Endothelzellen in verschiedenen Gehirnregionen verstärkt sind, sie jedoch spezifische Muster in aktivierten Signalwegen innerhalb jeder Gruppe beibehalten – beispielsweise im Blut –Aufrechterhaltung der Hirnbarriere im Gyrus temporalis inferior und im präfrontalen Kortex sowie Regulierung der Gefäßpermeabilität im präfrontalen und primären visuellen Kortex. Die Autoren beobachteten auch ein heterogenes Veränderungsmuster in der Expression von Genen, die mit verschiedenen biologischen Prozessen während des Fortschreitens der Alzheimer-Krankheit zusammenhängen, was eine weitere Ebene der Komplexität in den dynamischen Veränderungen der Genregulation bei AD aufzeigt.

Darüber hinaus identifizierten die Autoren unterschiedlich exprimierte Gene, die mit Risikofaktoren wie Aβ und zerebraler Amyloidangiopathie assoziiert sind, und zeigten so die Auswirkungen verschiedener neuropathologischer Faktoren auf die Genregulation auf. Konkret zeigten sie, dass Aβ unabhängig von der Gehirnregion den größten Einfluss auf die endotheliale Genexpression hat. Daher könnten diese Krankheitsfaktoren über verschiedene Wege wirken, was in zukünftigen Arbeiten validiert werden sollte.

Diese umfassende Studie betont die Heterogenität der Gehirnendothelzellen sowohl bei Personen im normalen Alter als auch bei Patienten mit AD und zeigt verschiedene Muster der Veränderung während des Fortschreitens der AD. Es verdeutlicht auch, wie wichtig es ist, die räumlich-zeitliche Abweichung des Gehirns bei der Untersuchung hirnbedingter Fehlfunktionen zu berücksichtigen. Trotz der wertvollen Erkenntnisse dieser Studie – nämlich den Veränderungen des Gehirngefäßsystems und der Identifizierung von Kapillaren als die am stärksten betroffenen Gefäße bei AD – besteht immer noch Bedarf an einer detaillierteren Quantifizierung der endothelialen Heterogenität und einer Untersuchung der dynamischen Veränderungen der Gefäßtransformation während des Fortschreitens der AD. Mittlerweile ermöglichen die Ergebnisse und der Datensatz dieser Studie die Untersuchung, ob der Grad der endothelialen Heterogenität mit der Schwere der Alzheimer-Krankheit zusammenhängt und wie Risikofaktoren (z. B. Aβ und zerebrale Amyloid-Angiopathie) an diesem Prozess beteiligt sind. Darüber hinaus liefert diese Studie wertvolle Informationen über andere Zelltypen als Endothelzellen, die künftige Untersuchungen zu den Wechselwirkungen zwischen Endothelzellen und anderen Gehirnkomponenten weiter vorantreiben könnten.

Fisher RA, Miners JS, Love S.Pathologische Veränderungen im Gehirngefäßsystem bei der Alzheimer-Krankheit: Neue Perspektiven . Gehirnpathol. 14. März 2022;:e13061. PubMed.

Kelleher RJ, Soiza RL. Hinweise auf eine endotheliale Dysfunktion bei der Entstehung der Alzheimer-Krankheit: Ist Alzheimer eine Gefäßerkrankung? . Am J Cardiovasc Dis. 1. November 2013;3(4):197-226. PubMed.

Lau SF, Cao H, Fu AK, Ip NY.Einzelkern-Transkriptomanalyse zeigt Fehlregulation angiogener Endothelzellen und neuroprotektiver Glia bei der Alzheimer-Krankheit . Proc Natl Acad Sci US A. 13. Okt. 2020;117(41):25800-25809. Epub 28.09.2020 PubMed.

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