Células inmunitarias sugieren nuevas posibilidades de tratamiento para el alzhéimer

In 1907, el psiquiatra alemán Alois Alzheimer publicó un informe de caso de una enfermedad inusual que afectaba a la corteza cerebral. Una mujer de 51 años que vivía en un asilo en Frankfurt am Main presentaba síntomas demasiado familiares para las millones de familias afectadas por lo que ahora se conoce como enfermedad de Alzheimer. Hubo pérdida de memoria, confusión y desorientación.

Después de que la paciente muriera, Alzheimer examinó su cerebro e hizo algunas observaciones clave. Primero, era más pequeño que el promedio, o atrófico, con la correspondiente pérdida de neuronas. A continuación, había marañas de fibras proteicas dentro de las neuronas y depósitos de una proteína diferente fuera de las células cerebrales. Durante los siguientes 100 años, estas dos proteínas patológicas, conocidas como tau y amiloide, fueron el foco de la investigación sobre las causas de la enfermedad.

Pero había una pista adicional, a menudo olvidada, que Alzheimer notó en la autopsia. Bajo la lente del microscopio, vio cambios claros en la composición estructural de ciertas células no neuronales. Llamadas glía, constituyen aproximadamente la mitad de las células del cerebro.

Después de haber sido estudiada por solo un pequeño número de científicos desde el descubrimiento de la enfermedad de Alzheimer, la glía ahora ha entrado en el centro de atención. Un tipo, llamado microglia, es el tipo principal de célula inmunitaria en el cerebro y puede influir en la progresión de la enfermedad de diferentes maneras durante las etapas temprana y posterior. Microglia también podría explicar la compleja relación entre amiloide y tau, las proteínas aberrantes que conducen a la degeneración de las neuronas y la pérdida de memoria.

La investigación en la última década ha identificado nuevos factores de riesgo moleculares que implican a estas células inmunes del cerebro en la enfermedad de Alzheimer. Guiados por poderosos métodos de secuenciación genética, estamos comenzando a comprender la microglía y el papel del sistema inmunitario y sus procesos inflamatorios en la enfermedad de Alzheimer.

Aunque hemos aprendido mucho sobre la bioquímica de las proteínas tau y amiloide, así como sobre algunos de los factores genéticos y de estilo de vida que pueden influir en el riesgo de una persona de padecer Alzheimer, prácticamente no existen tratamientos para detener o retrasar la progresión de la enfermedad. El 7 de junio, la Administración de Drogas y Alimentos de EE. UU. aprobó un nuevo fármaco, aducanumab, que elimina el amiloide del cerebro. Pero no está claro qué tan efectivo es para mejorar las habilidades cognitivas menguantes de los pacientes. Todavía se necesitan más intervenciones. Los conocimientos recientes sobre la microglía han sugerido nuevas terapias potenciales para la enfermedad, y ahora se están desarrollando varias, y algunas ya se están probando en ensayos clínicos.

Placas, enredos y genes

La enfermedad de Alzheimer es la principal causa de demencia en todo el mundo, y sus múltiples patologías se acumulan y confluyen a lo largo de décadas. El Alzheimer tiene dos características moleculares distintivas. El primero son las placas formadas por una forma de amiloide llamada beta-amiloide. Estos péptidos, o pequeñas proteínas, se encuentran en los espacios entre las células.

El segundo son las formas contorsionadas o mal plegadas de la proteína tau, a las que se unen grandes cantidades de grupos fosfato en un proceso conocido como hiperfosforilación. Este aumento en la fosforilación de tau se ha relacionado con una mayor agregación y toxicidad de la proteína. Tau está presente en grupos retorcidos, llamados ovillos neurofibrilares, en los cuerpos celulares de las neuronas. Algo de tau también aparece junto a las placas de amiloide en los axones dañados e hinchados, las largas protuberancias de los cuerpos principales de las neuronas. Esta forma se conoce como placa neurítica tau.

Tanto tau como la proteína más grande de la que se deriva el amiloide tienen funciones normales en el funcionamiento de las células que se corrompen por el proceso de la enfermedad en las personas con Alzheimer. Los extensos esfuerzos para comprender las formas patológicas de amiloide y tau han llevado a la conclusión de que debemos considerar el Alzheimer en dos etapas. La primera es una fase presintomática de 15 a 25 años durante la cual se acumula amiloide en la corteza cerebral, la capa más externa del cerebro, en ausencia de síntomas cognitivos. En la segunda fase, se desarrollan ovillos de tau en la corteza y comienza la neurodegeneración, con la aparición de disfunción cognitiva a medida que mueren las células cerebrales.

La comunidad de investigación del Alzheimer ha sabido durante décadas que los factores de riesgo genéticos influyen fuertemente en la probabilidad de que una persona desarrolle Alzheimer y que los genes brindan información valiosa sobre los mecanismos subyacentes de la enfermedad. El principal gen de riesgo asociado con el Alzheimer es APOE. Codifica la proteína apolipoproteína E, que interviene en el metabolismo de las grasas y el colesterol. (Las designaciones alfanuméricas de los genes suelen estar en cursiva, mientras que las de las proteínas que codifican se presentan como texto normal).

La asociación del gen con el Alzheimer, reportada por primera vez en 1993, se relaciona con una versión del mismo, conocida como alelo, que aumenta dramáticamente el riesgo de enfermedad. Los tres comunes APOE Los alelos en la población humana son APOE2, APOE3 y APOE4. APOE3 es el más común y constituye aproximadamente el 78 por ciento de todos los alelos, seguido por APOE4 alrededor del 14 por ciento y APOE2 en torno al 8 por ciento. Cada persona tiene dos APOE alelos, y alrededor del 25 por ciento de las personas portan al menos un APOE4 alelo Pero entre las personas con Alzheimer, alrededor del 60 por ciento tiene al menos una APOE4 alelo

Las personas con un solo alelo de APOE4 tienen un riesgo tres o cuatro veces mayor de desarrollar Alzheimer, y las personas con dos copias de APOE4 tienen un riesgo aproximadamente 12 veces mayor en comparación con las personas que tienen dos alelos de APOE3. APOE4 los portadores tienen un depósito más temprano y más abundante de placas de amiloide porque su versión de la apolipoproteína E disminuye la eliminación de beta-amiloide del cerebro y facilita la agregación de la proteína. Por el contrario, las personas que son APOE2 los portadores tienen un menor riesgo de desarrollar Alzheimer y son mucho menos propensos a desarrollar patología amiloide.

A pesar de la fuerza de APOE4'Como efecto, no explica toda la susceptibilidad genética a la enfermedad de Alzheimer. Los genetistas han buscado tenazmente otros factores de riesgo que podrían explicar esta "heredabilidad faltante", utilizando avances en la tecnología de secuenciación de genes para examinar a miles de personas en busca de cambios en el ADN asociados con un mayor o menor riesgo de desarrollar la enfermedad de Alzheimer.

La detección a gran escala ha identificado regiones genéticas y genes que parecen influir en el riesgo de enfermedad. Entre ellos hay variantes de genes:CD33, BIN1, CR1 y MS4A6A—que codifican proteínas con diversas funciones. Por ejemplo, CD33 y CR1 proporcionar las instrucciones genéticas para los receptores en la superficie celular que detectan señales de otras células. Estos genes descubiertos mediante la detección en poblaciones tienen efectos relativamente modestos sobre el riesgo de enfermedad.

Los investigadores también han secuenciado los genomas de miles de personas con Alzheimer para buscar variantes raras que puedan ejercer un fuerte efecto sobre el riesgo de enfermedad. Varios de estos genes de riesgo se expresan predominantemente en la microglía, las principales células inmunitarias del cerebro. En 2013, dos estudios identificaron una variante rara en TREM2un gen que codifica un receptor que atraviesa la membrana celular en la microglía, lo que aumenta fuertemente el riesgo de desarrollar Alzheimer.

Los datos de secuenciación revelaron una variante que sustituía la arginina por un aminoácido llamado histidina. Se descubrió que esta mutación afecta el funcionamiento de la microglía y aumenta el riesgo de desarrollar Alzheimer aproximadamente del doble al cuádruple. Curiosamente, al igual que varios de los otros nuevos genes de factores de riesgo, TREM2 se expresa exclusivamente por microglia en el cerebro. Estas pistas genéticas sugirieron que la microglía podría contribuir activamente al proceso de la enfermedad, pero ¿cómo?

escuadrón de vigilancia

La microglía está relacionada con las células inmunitarias llamadas macrófagos que patrullan el cuerpo para combatir los patógenos o ayudar a reparar el tejido lesionado. Los investigadores están aprendiendo que están involucrados en todo, desde la defensa contra la infección hasta la poda del exceso de sinapsis, las uniones donde se encuentran las neuronas, en el cerebro en desarrollo. En condiciones normales, la microglía tiene cuerpos celulares pequeños con protuberancias ramificadas que se extienden por todo el tejido cerebral. Las células inmunes engullen, o, más formalmente, fagocitan, sinapsis y desechos innecesarios, y buscan signos de lesión o invasión de patógenos.

Si se produce una lesión, la forma y la función de la microglía cambian. Los cuerpos celulares se agrandan y las ramas que se extienden desde ellos se acortan y disminuyen en número. La microglía migra al sitio de una lesión para iniciar una respuesta inflamatoria. Durante décadas, los investigadores habían observado la microglía que rodeaba las placas amiloides. Sin embargo, se desconocía si ayudaron a limitar la acumulación de amiloide o si iniciaron tratamientos tóxicos. inflamación. La relación entre microglia y tau tampoco se entendía bien.

Algunos estudios han indicado que la microglía actúa sobre las neuronas para dañar los axones y las sinapsis, bloqueando las señales transmitidas a lo largo de los axones y dando como resultado una acumulación de tau en las células.

Otra investigación muestra que las proteínas inflamatorias llamadas citoquinas que son secretadas por la microglia aumentan dramáticamente el proceso destructivo de hiperfosforilación. El descubrimiento de factores de riesgo genéticos como TREM2 y CD33 señaló moléculas distintas en la microglía que podrían estar involucradas en el Alzheimer. Los investigadores esperan que comprender cómo funcionan estas proteínas proporcione información sobre el papel más amplio que desempeñan estas células en el proceso de la enfermedad.

Los ratones experimentales son herramientas valiosas para estudiar cómo los factores genéticos pueden influir en los tipos de cambios cerebrales observados en la demencia de Alzheimer humana. Hasta el momento, hay pocos animales de experimentación que reproduzcan todos los aspectos de la enfermedad de Alzheimer (por ejemplo, un ratón con acumulación de placa amiloide seguida de la propagación de tau patológica y la neurodegeneración que la acompaña). Pero los investigadores han creado varias docenas de "modelos": ratones modificados genéticamente que desarrollan placa amiloide o tau.

Al cruzar estos ratones transgénicos con ratones diseñados para expresar alteraciones en los genes de riesgo de Alzheimer, los investigadores pueden determinar cómo una variante genética influye en diferentes aspectos de la patología similar al Alzheimer. Por ejemplo, hace dos décadas, se demostró que los modelos de ratones amiloide diseñados para expresar la proteína APOE4 humana desarrollaron más placas amiloides que los ratones con la misma proteína. APOE3 o APOE2 variantes de genes. En los últimos años, los investigadores han evaluado el papel de la proteína humana TREM2 en la enfermedad de Alzheimer eliminando el Trem2 gen en modelos de ratón de patología amiloide. Varios laboratorios identificaron consistentemente una reducción dramática en la cantidad de microglía que rodea las placas amiloides en tales ratones.

Una serie de estudios del laboratorio de Marco Colonna en la Universidad de Washington en St. Louis encontró que en ratones sin la Trem2 gen, la microglía no pudo acelerar adecuadamente su metabolismo. Cuando estaban cerca de las placas amiloides, no producían suficiente trifosfato de adenosina o ATP, una molécula que alimenta la actividad celular. Privadas de energía, las células no pudieron rodear las placas amiloides. Luego, los investigadores observaron un aumento en los axones inflamados y lesionados, conocidos como neuritas distróficas, causados ​​por el daño causado por el amiloide.

Estas observaciones clave (menos microglía alrededor de las placas y mayor daño a los axones) también se observaron en secciones de cerebro post mortem de personas con Alzheimer que tenían una rara mutación en el TREM2 gen conocido como R47H, el que se había descubierto en 2013. Este hallazgo aumentó la confianza de que las observaciones en ratones podrían ser relevantes para la forma en que TREM2 funciona en humanos. Además, el trabajo del grupo de Jaime Grutzendler en la Universidad de Yale mostró que cuanto menos microglía rodeaba una placa, más dañados estaban los axones cercanos.

Ese estudio proporcionó más evidencia del papel potencial de la microglía en la protección contra los efectos tóxicos del amiloide en áreas locales alrededor de las placas. También mostró que la microglía interactúa con los extremos de las diminutas fibras amiloides, deteniendo potencialmente su crecimiento o protegiendo a las neuronas circundantes de los efectos nocivos del amiloide.

Semillas Tóxicas

Si la microglía protege a los axones del daño de la placa amiloide, ¿podrían proteger también contra la patología tau? Si es así, peligroso TREM2 mutaciones como R47H podrían exacerbar la patología de Alzheimer al facilitar que la placa tau neurítica se desarrolle cerca de las placas amiloides. Probar esta hipótesis sigue siendo un desafío, pero algunas pistas provienen de investigaciones que exploran cómo la patología tau puede propagarse de manera similar a los priones, las proteínas que caracterizan enfermedades como la enfermedad de Creutzfeldt-Jakob, una forma de la cual está asociada con la enfermedad de las "vacas locas".

Durante la última década, los investigadores han descubierto que tau y amiloide se pliegan en formas aberrantes similares a una "semilla" similar a un prión que luego hace que las formas normalmente estructuradas de las proteínas también se plieguen incorrectamente. De esta manera, la proteína tau patológica puede propagarse a regiones cerebrales conectadas a medida que avanza la enfermedad de Alzheimer. Una serie de artículos del laboratorio de Virginia Man-Yee Lee en la Universidad de Pensilvania mostró que la inyección de cerebros de ratones normales con semillas de tau agregadas aisladas de cerebros con patología de Alzheimer resultó en el mal plegamiento de tau de ratón en ovillos neurofibrilares. Los ratones que ya tenían patología amiloide desarrollaron placa neurítica tau, la forma de la proteína que daña los axones. Este último proceso se asemeja a la cadena de eventos en la enfermedad de Alzheimer. Aunque los ratones no desarrollaron una neurodegeneración significativa, el enfoque de "siembra" proporcionó un método confiable para estudiar la patología amiloide y tau.

Cuando no contribuye a la patología de Alzheimer, tau normalmente se encuentra en los axones de las neuronas, donde ayuda a estabilizar proteínas estructurales llamadas microtúbulos que ayudan en el transporte de materiales celulares de una parte de una neurona a otra. El equipo de Lee descubrió que la proteína tau en los axones inflamados cerca de las placas de amiloide se desprendió de los microtúbulos, dejándola potencialmente más propensa a la contorsión. En esencia, estos axones dañados se convirtieron en suelo fértil en el que las semillas patológicas de tau en la corteza circundante cargada de amiloide podrían echar raíces.

Debido a que el tipo de proteína TREM2 mutante R47H perjudicial en la microglía aumenta el daño del axón, razonamos que la forma TREM2 más común podría ayudar a las células inmunitarias a proteger los axones cerca de la placa amiloide, evitando que las semillas de tau estimulen una mayor acumulación de tau o invadan otras áreas de la corteza . En un estudio dirigido por Cheryl Leyns y Maud Gratuze, entonces miembros de nuestro laboratorio, inyectamos semillas de tau de un cerebro con Alzheimer en modelos de ratones con y sin genes que expresan funciones TREM2 proteína y descubrió que los ratones sin la proteína desarrollaron mucha más placa tau neurítica en los axones inflamados. Ese daño se extendió a otras regiones del cerebro a través de redes de neuronas conectadas.

También usamos modelos de ratón desarrollados por Colonna que expresaban TREM2 humano normal o la forma R47H. Nuevamente, los modelos de ratones amiloide con la variante R47H desarrollaron más patología tau de placa neurítica cerca de las placas amiloides cuando se inyectaron semillas de tau. Para confirmar los hallazgos de los modelos de ratones, también examinamos cerebros humanos y descubrimos que las personas con enfermedades asociadas con el Alzheimer TREM2 las variantes tenían más tau de placa neurítica. A partir de estas observaciones, llegamos a la conclusión de que el TREM2 normal y quizás la microglía en general protegen contra la siembra y propagación de tau inducida por amiloide por todo el cerebro.

Microglia parece proteger contra la propagación de la patología tau en la corteza cargada de amiloide típica de la primera fase de la enfermedad de Alzheimer. Pero, ¿siguen siendo protectores una vez que se desarrollan marañas neurofibrilares en la corteza y comienza la neurodegeneración durante la fase sintomática de la enfermedad? Dos estudios influyentes, uno del laboratorio de Ido Amit en el Instituto de Ciencias Weizmann en Rehovot, Israel, y el otro de Oleg Butovsky del Brigham and Women's Hospital y sus colegas, analizaron los cambios en la actividad de los genes microgliales en modelos de ratón de diferentes enfermedades neurodegenerativas. enfermedades e identificaron notables similitudes en cómo se activan esos genes.

Descubrieron que la microglía en cerebros de ratones con lesiones neurodegenerativas similares a las que ocurren con la patología tau activaba diversos genes, muchos de los cuales codifican proteínas para degradar materiales no deseados en la célula. Microglia en este punto aumentó fuertemente la expresión de una versión de ratón de la APOE4 gen de riesgo. Parece entonces que tanto APOE como TREM2 juegan un papel clave para determinar si se activa una respuesta microglial cuando las neuronas comienzan a morir y aparecen los primeros síntomas.

Ese descubrimiento nos llevó a cruzar ratones que expresaban diferentes versiones de APOE humano con un modelo de ratón que desarrolla tanto patología tau como neurodegeneración severa. En un estudio dirigido por Yang Shi en nuestro laboratorio de la Universidad de Washington en St. Louis, encontramos que un modelo de ratón tau que expresaba APOE4 tenía mucha más neurodegeneración y una patología tau más avanzada que los ratones con APOE3 o APOE2. A continuación, evaluamos la muerte celular en personas con Alzheimer u otras enfermedades neurodegenerativas con grandes acumulaciones de tau. Encontramos eso APOE4 los portadores sufrieron mayor daño en el cerebro que los que portaban otros alelos.

Además, los pacientes de Alzheimer que estaban APOE4 los portadores disminuyeron más rápido que los que no lo eran. Esto nos sorprendió a nosotros y a otros investigadores porque durante muchos años se había pensado que el efecto principal de APOE4 fue la acumulación de grandes cantidades de amiloide. Estos estudios, sin embargo, señalaron un papel para APOE4 no solo en la regulación de la patología amiloide, sino también en la determinación de la rapidez con la que mueren las neuronas en respuesta a la patología tau. Esto implica que el “gen del Alzheimer”, como APOE4 se sabe, influye no solo en la deposición de amiloide sino también en el daño neurológico debido a la acumulación de tau, las dos etapas principales de la enfermedad.

La creciente comprensión de APOE4 condujo al siguiente experimento con ratones. Encontramos que la eliminación de la versión de ratón de la APOE El gen fue fuertemente protector contra la neurodegeneración y retrasó la progresión de la patología tau y, lo que es más importante, el daño cerebral causado por la acumulación de tau. Si la eliminación de la APOE gen es neuroprotector en modelos de ratón, entonces tal vez la disminución de los niveles de APOE en el cerebro humano ralentizaría la neurodegeneración, particularmente en personas que portan el APOE4 variante.

En otro experimento, usamos el modelo de ratón tau, que también expresaba humanos APOE4, para probar si la reducción de los niveles de la variante de apolipoproteína protegería contra la neurodegeneración. Colaboramos con Ionis Pharmaceuticals para usar oligonucleótidos antisentido, tramos cortos de ADN modificado que degradan el ARN mensajero (las instrucciones moleculares para que una célula produzca una proteína específica) para reducir a la mitad la cantidad de APOE4 en el cerebro de los ratones. Descubrimos que la reducción de los niveles de APOE4 cuando la patología tau comenzaba a afianzarse conservaba las neuronas y disminuía la inflamación y la activación microglial en los cerebros de los ratones.

Una imagen emergente sugiere que la microglia juega dos roles diferentes durante la progresión de la demencia de Alzheimer. En modelos de ratones con patología amiloide, el aumento de la actividad microglial alrededor de las placas parece proteger el cerebro. En ratones con patología tau, la tau aberrante aumenta fuertemente la expresión de genes microgliales asociados con la neurodegeneración, y APOE4 parece inflamar aún más el cerebro. Todo esto indica una fuerte respuesta inmune de la microglía a la patología tau que se correlaciona con un mayor daño, no con la protección del cerebro.

Por supuesto, las correlaciones no equivalen a causalidad, y en ese momento de nuestra investigación no estaba claro si la fuerte respuesta inmune observada en los modelos tau que expresaban APOE4 estaba impulsando la degeneración o simplemente era una respuesta a ella. Luego preguntamos si la pérdida de TREM2, el receptor en la superficie de la microglía, aumentaría la neurodegeneración y la inflamación en el cerebro. No habría sido del todo sorprendente que la microglía ayudara a proteger las neuronas, incluso en esa etapa relativamente tardía de la enfermedad.

Una vez más, se esperaba un experimento para reducir la actividad de los genes. La eliminación de TREM2 en modelos de ratones tau disminuyó la respuesta microglial y disminuyó los niveles de neurodegeneración. Este hallazgo sugirió que la reducción de la actividad microglial resultó en menos daño y atrofia cerebral por la patología tau.

Una espada de doble filo

Más evidencia que implica a la microglía como impulsora de la pérdida de neuronas que conduce al deterioro cognitivo más adelante en el proceso de la enfermedad provino de dos estudios de 2019. Se demostró que dar a los ratones un fármaco que bloqueaba el factor 1 estimulante de colonias de proteínas críticas, que la microglía necesita para sobrevivir, eliminó alrededor del 90 por ciento de la microglía en el cerebro. En modelos de ratones tau, los ratones que recibieron el fármaco exhibieron una neurodegeneración y una patología de tau drásticamente reducidas, lo que indica que la microglía es necesaria para la neurodegeneración dependiente de tau. Estos hallazgos demuestran que la señalización de TREM2 parece producir efectos paradójicos, ya sean protectores o perjudiciales, según la etapa de progresión de la enfermedad.

A partir de esta investigación, parece probable que la señalización de TREM2 durante las fases presintomática y posiblemente sintomática temprana de la enfermedad de Alzheimer, cuando se acumula el amiloide, ayuda a reducir la cantidad de daño que el amiloide puede infligir en los axones y sinapsis cercanos. También impide el avance de tau a través de la corteza. Sin embargo, una vez que la patología tau está claramente establecida, la microglía puede provocar la pérdida de sinapsis y la muerte de las neuronas.

Suponiendo que el efecto dañino de la microglía en modelos de ratones con patología tau sea cierto en el alzhéimer humano (todavía es una gran suposición), apuntar a la microglía podría ser una estrategia de tratamiento viable. Podría ser mejor promover la activación microglial, particularmente alrededor de las placas amiloides, en las fases presintomática y sintomática temprana de la enfermedad. Por el contrario, en etapas más avanzadas de la patología tau, la disminución de la respuesta de la microglía podría ralentizar la neurodegeneración, así como la tasa de deterioro cognitivo.

Tal vez a medida que aprendamos más sobre cómo se comporta la microglía en respuesta a la patología amiloide y tau, se puedan identificar nuevos objetivos para el desarrollo de terapias para tratar esta enfermedad devastadora. Actualmente, un ensayo clínico en humanos está probando si la activación de TREM2 puede retrasar el curso de la etapa temprana de la enfermedad de Alzheimer, y muchas otras terapias dirigidas a la microglía están entrando en las líneas de desarrollo de fármacos. Si estos enfoques tienen éxito, puede convertirse en el tercer hallazgo pasado por alto en la famosa autopsia de la enfermedad de Alzheimer, después de las placas y los ovillos más conocidos, que resulta fundamental para disminuir el terrible impacto en los cerebros de los pacientes.