La salud del cerebro depende de una vasculatura robusta, pero debido a que es difícil aislar las células cerebrovasculares, los científicos aún saben poco sobre estos tipos de células o cómo podrían cambiar en enfermedades como el Alzheimer. Ahora, en una preimpresión publicada en bioRxiv, los investigadores dirigidos por Tony Wyss-Coray en la Universidad de Stanford, Palo Alto, California, describen un nuevo método para aislar células vasculares y perivasculares del cerebro humano que es compatible con RNA-Seq de un solo núcleo. Utilizando este último, los investigadores mapearon los perfiles de expresión génica de las células endoteliales y del músculo liso ubicadas en las arterias, capilares y venas del cerebro envejecido y saludable. También identificaron distintos subtipos de pericitos y fibroblastos.
En muestras de cerebro con EA, su análisis encontró numerosos cambios en la expresión génica en comparación con el cerebro sano y confirmó una pérdida masiva de tipos de células vasculares, en particular las responsables de mantener la matriz extracelular. Curiosamente, las células vasculares expresaron 30 de los 45 principales genes de riesgo de EA, lo que sugiere que estas células poco estudiadas pueden desempeñar un papel más importante en la patogénesis de lo que se pensaba anteriormente. «Necesitamos explorar la contribución de riesgo de estos diferentes tipos de células a la EA», señaló Wyss-Coray.
Otros estaban entusiasmados. “Esta es una historia emocionante del laboratorio de Wyss-Coray, ya que ahora finalmente tenemos un hermoso atlas de células endoteliales y estromales del cerebro humano y meninges”, escribió Jonathan Kipnis de la Universidad de Washington en St. Louis a Alzforum (comentario completo a continuación). Mark Fiers de KU Leuven, Bélgica, lo calificó como un documento importante para el campo. “Estos resultados arrojan una luz diferente sobre muchos genes relevantes para la EA”, anotó Fiers.
Mientras tanto, los investigadores dirigidos por Maria Lehtinen en el Boston Children’s Hospital abordaron otro tejido cerebral poco estudiado, el plexo coroideo. Este tejido recubre los ventrículos y produce el líquido cefalorraquídeo que baña el cerebro. El LCR alberga biomarcadores clave de la enfermedad de Alzheimer. En la celda del 27 de abril, los investigadores delinearon un mapa de expresión génica en este plexo coroideo de ratón, que muestra cómo cambiaban los perfiles en los ventrículos y con la edad. En particular, la señalización inflamatoria aumentó allí en ratones viejos.
La gente contra los ratones . El gen del factor de coagulación de von Willebrand (amarillo) se expresa solo en las venas (V) del cerebro del ratón (izquierda), pero también se expresa en los capilares (C) y arterias (A) del cerebro humano (derecha). [Cortesía de Yang et al., 2021.]
Anteriormente, los investigadores dirigidos por Christer Betsholtz en la Universidad de Uppsala, Suecia, tenían mapas detallados de RNA-Seq de una sola célula de la vasculatura del cerebro de ratón. Betsholtz informó de un cambio gradual en el perfil de expresión de las células endoteliales a lo largo del continuo arteriovenoso, es decir, la progresión de la vasculatura de las arterias a los capilares y a las venas. Por el contrario, las delineaciones entre diferentes células de músculo liso (SMC) y poblaciones de pericitos fueron nítidas ( Vanlandewijck et al., 2018 ).
Wyss-Coray y sus colegas querían extender este trabajo al cerebro humano, pero primero tenían que desarrollar una forma de aislar núcleos de células vasculares intactos. Esto es un desafío debido a la matriz extracelular fibrosa (MEC) que rodea los vasos sanguíneos. El primer autor, Andrew Yang, ideó una solución simple que enorgullecería a cualquier chef: lo obligó a pasar por un colador. Yang comenzó con 25 secciones post mórtem congeladas y no fijadas del hipocampo y las cortezas de nueve pacientes con EA y ocho controles de la misma edad. Después de homogeneizar el tejido y centrifugar los fragmentos vasculares, resuspendió el sedimento y se lavó el parénquima y las células sanguíneas contaminantes. Para liberar las células del ECM, trituró el tejido a través de un colador usando el extremo plano del émbolo de una jeringa. Las células liberadas se lisaron para liberar núcleos. Esta disociación física, denominado aislamiento de vasos y extracción de núcleos para secuenciación (VINE-Seq), funcionó mejor que los métodos enzimáticos o químicos y fue menos dañino para los núcleos, encontraron los autores. De las 25 secciones del cerebro, VINE-Seq produjo 143.793 núcleos para RNA-Seq, más de 100 veces el número de células vasculares analizadas en estudios previos de snRNA-Seq del cerebro humano.
«El nuevo método VINE-Seq que se desarrolló para secuenciar las células endoteliales es bastante notable», anotó Kipnis.
De estas 143.793 células, 36.825, o aproximadamente una cuarta parte, eran células endoteliales, que recubren el interior de los vasos sanguíneos. Los autores utilizaron un algoritmo de agrupamiento para organizar estas células a lo largo del eje del tipo de células arteriovenosas, con la ayuda de marcadores conocidos de células arteriales, capilares y venosas. Los datos revelaron siete patrones de expresión gradualmente diferentes a medida que el origen celular se desplazaba de las arterias a las venas. El continuo era similar al observado en ratones, pero muchos de los marcadores genéticos específicos eran diferentes. Por ejemplo, el gen de la coagulación de la sangre, el factor von Willebrand, solo se expresa en las células endoteliales venosas de los ratones, pero está presente en toda la vasculatura de los seres humanos (ver imagen de arriba). Los hallazgos de expresión génica coincidieron con la localización de proteínas en la vasculatura como se detalla en el Atlas de proteínas humanas
Tipos distintos. Las células murales que se encuentran en los vasos sanguíneos en el cerebro humano se agrupan en cuatro tipos distintos: células de músculo liso arterial (aSMC), SMC arteriolares (aaSMC), pericitos especializados en matriz (pericitos M) y pericitos especializados en transporte (pericitos T). [Cortesía de Yang et al., 2021.]
Por otro lado, entre las 34.508 CML y pericitos aislados, conocidos colectivamente como células murales porque recubren las paredes de los vasos, los autores encontraron perfiles distintos que distinguían las CML en las arterias de otras células contráctiles en las arteriolas. El campo ha debatido si las células contráctiles de las arteriolas son más parecidas a las SMC o pericitos, las pequeñas células que se posan en los capilares ( noticias de junio de 2015 ; noticias de febrero de 2017 ; noticias de mayo de 2017 ). Los datos de Wyss-Coray pueden atravesar este nudo gordoniano al considerar que las células murales arteriolares son distintas de las SMC arteriales y de los pericitos.
Hablando de pericitos, los autores identificaron dos subtipos de estos mediante el agrupamiento de expresiones (ver imagen de arriba). Uno, que los autores llamaron pericitos de matriz (pericitos M), expresa genes involucrados en la formación y regulación de ECM, mientras que el otro, denominado pericitos de transporte (pericitos T), se especializa en transportadores transmembrana. Los autores localizaron estas células murales a lo largo de la vasculatura mediante hibridación in situ. Ambos tipos de pericitos se encontraron juntos a lo largo de los capilares y las venas, lo que sugiere que realizan funciones esenciales necesarias en toda la vasculatura. Curiosamente, las células murales en las venas exhibieron un patrón de expresión de pericitos, con poca semejanza con las SMC arteriales. Al igual que con las células endoteliales, los datos de las células murales humanas variaron mucho de la vasculatura del ratón, lo que sugiere que los ratones pueden no ser buenos modelos para los trastornos vasculares.
Los autores también aislaron fibroblastos alrededor de los vasos sanguíneos. Al igual que con los pericitos, estos se dividieron en dos poblaciones distintas, pero a diferencia de los pericitos, se segregaron espacialmente. Un tipo acechaba cerca de los vasos sanguíneos, el otro dentro de las meninges que recubren el cerebro. Los 2985 núcleos de fibroblastos perivasculares que aislaron expresaron muchas proteínas ECM y también bombas de eflujo celular para eliminar los solutos de las células. Por el contrario, los 428 fibroblastos meníngeos tenían más transportadores que introducen solutos en la célula. Los autores especularon que esta división especializada de bombeo de entrada y salida podría ayudar a impulsar el flujo glifático del líquido cefalorraquídeo a través del cerebro ( noticias de agosto de 2012 ; noticias de la conferencia de mayo de 2014 ).
Riesgo vascular de EA . Muchos de los principales genes de riesgo de EA (columna de la izquierda) tienen su expresión más alta en los tipos de células vasculares (enumerados en la parte superior). Los números en la parte inferior indican el número de genes GWAS expresados en cada tipo de célula; los datos de las cinco columnas de la derecha proceden de estudios anteriores. [Cortesía de Yang et al., 2021.]
¿El cerebro con EA es diferente de los controles de edad? Usando VINE-Seq, los autores pudieron aislar solo la mitad de las células endoteliales, SMC y fibroblastos perivasculares del cerebro con EA que del cerebro normal, y casi ningún M-pericitos. Los T-pericitos, por otro lado, no cambiaron. Estas pérdidas se confirmaron mediante inmunotinción in situ con genes marcadores de células vasculares.
No está claro si estas células realmente faltan o han adquirido un perfil de expresión génica diferente. El análisis de expresión génica encontró 463 genes expresados diferencialmente entre las células AD, y las células murales tienen la mayoría de los cambios en comparación con las células murales de control de la misma edad, particularmente en los genes que controlan la vasoconstricción y el flujo sanguíneo. En particular, estos cambios relacionados con la EA mostraron poca superposición con los cambios de expresión de las células endoteliales observados en modelos de amiloidosis en ratones, lo que nuevamente sugiere que los ratones no modelan eficazmente la patología vascular de la EA.
Los genes de riesgo de EA tenían una gran huella en los tipos de células vasculares. Además de expresar 30 de los 45 principales aciertos de GWAS, estas células expresaron 383 de 651 genes en una lista más grande de AD GWAS. Varios genes de la EA se expresaron con más fuerza en las células vasculares que en la microglía, los astrocitos o las neuronas. Por ejemplo, la ECA se expresa más en las células endoteliales arteriales y MS4A6A y CR1 en los macrófagos perivasculares. ADAMTS4 encuentra su expresión más fuerte en SMC y FHL2 en fibroblastos perivasculares (ver imagen arriba).
«Esto debería impulsarnos a examinar más de cerca el papel de la vasculatura en la EA», dijo Wyss-Coray. Señaló que la mayoría de los cerebros con EA tienen patología vascular. Los datos de expresión de este estudio están disponibles en una interfaz web con capacidad de búsqueda .
Por el contrario, el artículo de Lehtinen y sus colegas también presenta un mapa de expresión espacial de un tipo de tejido cerebral, pero éste es para el plexo coroideo del ratón. Los primeros autores conjuntos, Neil Dani y Rebecca Herbst, microdiseccionaron el tejido de los ventrículos lateral, tercero y cuarto de ratones embrionarios, ratones adultos de 4 meses y ratones de 20 meses de edad. En total, obtuvieron 98.660 núcleos para snRNA-Seq. Este conjunto incluía núcleos de células epiteliales que recubren los ventrículos, células endoteliales y murales de vasos sanguíneos, fibroblastos, glía y neuronas. Para localizar las células, los autores combinaron los hallazgos de expresión génica con inmunotinción de genes marcadores en explantes y cortes de tejido. Su análisis reveló patrones de expresión génica específicos del ventrículo, y esta regionalización aumentó con la edad.
Muchos otros genes cambiaron con la edad, informan los científicos. Por ejemplo, el factor de longevidad klotho aumentó en las células epiteliales, mientras que la citocina proinflamatoria IL-1β aumentó en los macrófagos. Su receptor, IL1R1, subió en numerosos tipos de células del plexo coroideo, incluidos los fibroblastos, las células epiteliales, endoteliales y murales. Los hallazgos se basan en informes anteriores de aumento de la inflamación en el plexo coroideo con la edad, anotaron los autores ( Baruch et al., 2014 ; Paré et al., 2018 ).
“Este es un trabajo muy impresionante y creo que será de gran valor para el campo”, dijo Wyss-Coray. Elogió el uso de ratones de diferentes edades y los datos espaciales detallados como puntos fuertes del estudio. El próximo paso será estudiar el plexo coroideo en el cerebro humano, en la salud, el envejecimiento y la enfermedad. — Madolyn Bowman Rogers
FUENTE: www.alzforum.org
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