Le proteine che controllano la barriera emato-encefalica cambiano drasticamente con l'età. / Proteins Controlling the Blood–Brain Barrier Change Dramatically With Age
Le proteine che controllano la barriera emato-encefalica cambiano drasticamente con l'età. / Proteins Controlling the Blood–Brain Barrier Change Dramatically With Age
Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa
La barriera emato-encefalica (BEE) agisce come una parete biologica che protegge il cervello, bloccando al contempo il 98% dei potenziali farmaci neurologici.
Un nuovo studio condotto dal Janelia Research Campus e dal Broad Institute ha utilizzato la proteomica ad alta risoluzione per mappare per la prima volta in vivo questa interfaccia. I risultati rivelano come la barriera matura ed invecchia, fornendo un modello per manipolare la permeabilità vascolare al fine di trattare le malattie neurodegenerative.
Mappatura della barriera emato-encefalica mediante proteomica in vivo
I vasi sanguigni costituiscono la rete di distribuzione del corpo; trasportano ossigeno, sostanze nutritive e cellule immunitarie ad ogni organo. Il cervello, tuttavia, funziona in modo leggermente diverso.
La barriera emato-encefalica (BEE) agisce come una parete biologica che protegge il cervello, bloccando al contempo il 98% dei potenziali farmaci neurologici.
Un nuovo studio condotto dal Janelia Research Campus e dal Broad Institute ha utilizzato la proteomica ad alta risoluzione per mappare per la prima volta in vivo questa interfaccia . I risultati rivelano come la barriera matura ed invecchia, fornendo un modello per manipolare la permeabilità vascolare al fine di trattare le malattie neurodegenerative.
Mappatura della barriera emato-encefalica mediante proteomica in vivo
I vasi sanguigni costituiscono la rete di distribuzione del corpo; trasportano ossigeno, sostanze nutritive e cellule immunitarie ad ogni organo. Il cervello, tuttavia, funziona in modo leggermente diverso.
I vasi sanguigni del cervello formano una barriera altamente selettiva, nota come barriera emato-encefalica (BEE), che funge da filtro fisico e chimico per mantenere l'equilibrio dell'ambiente cerebrale. Questa barriera rappresenta l'interfaccia primaria tra il sangue e il cervello; deve essere sufficientemente permeabile da permettere l'ingresso dei nutrienti, ma al contempo abbastanza ermetica da impedire l'ingresso di tossine ed agenti patogeni. Quando questa barriera cede, le conseguenze possono essere devastanti, contribuendo allo sviluppo di sclerosi multipla, encefalite e varie forme di demenza.
La barriera emato-encefalica è talmente efficace da bloccare la maggior parte dei farmaci a piccole molecole e quasi tutte le terapie a base di macromolecole per il trattamento dell'Alzheimer e del Parkinson.
"Tutte le sostanze presenti nel sangue circolante, se vogliono interagire con un organo, devono passare attraverso questa interfaccia", ha spiegato l'autore senior, il dottor Jiefu Li , responsabile di un gruppo di ricerca presso il Janelia Research Campus.
Per studiare questo sistema, i ricercatori devono osservare le proteine presenti sulla superficie interna della parete dei vasi sanguigni, detta anche superficie luminale. Nonostante la loro importanza, fino ad ora gli scienziati non sono riusciti ad isolare le proteine di superficie dalla superficie luminale in un organismo vivente. I tentativi precedenti spesso richiedevano complesse modifiche genetiche o etichettavano inavvertitamente proteine situate in profondità nel tessuto anziché solo in superficie.
"Comprendere come funziona la barriera emato-encefalica, in particolare individuare i bersagli molecolari su cui agire per aprirla e chiuderla, aprirà nuove possibilità per la somministrazione di farmaci", ha affermato Li.
"Questo ci permetterà di dire: sappiamo che il sistema vascolare svolge funzioni diverse in organi diversi e che si basa su questa superficie luminale, ma come avviene tutto ciò? Quali sono i protagonisti a livello molecolare?", ha aggiunto.
Svelare l'invecchiamento vascolare con la proteomica ad alta risoluzione
Li ed il suo gruppo hanno sviluppato un metodo chiamato marcatura di prossimità WGA-HRP. Hanno utilizzato una proteina legante gli zuccheri, l'agglutinina del germe di grano (WGA), e l'hanno legata ad un enzima chiamato perossidasi di rafano (HRP). Poiché la WGA aderisce naturalmente alla superficie interna dei vasi sanguigni, ancora l'enzima alla parete luminale.
Quando i ricercatori hanno fatto circolare una sonda di biotina nel sangue, l'enzima l'ha attivata, contrassegnando ogni proteina vicina con un indicatore chimico. Ciò ha permesso al gruppo di utilizzare la spettrometria di massa per identificare le proteine localizzate specificamente all'interfaccia vascolare senza disturbare il tessuto cerebrale circostante.
Per monitorare questi cambiamenti nel tempo, i ricercatori hanno analizzato il proteoma vascolare dei topi in tre diverse fasi della vita: neonatale (6 giorni), adulto (3 mesi) ed anziano (20 mesi).
Lo studio ha prodotto un atlante di oltre 1.000 proteine, ora accessibile a tutta la comunità scientifica.
I dati proteomici ottenuti hanno rivelato un cambiamento drastico nel tempo. Nelle fasi neonatali, la barriera emato-encefalica (BBB) è un centro di intensa attività, ricco di proteine che stimolano la crescita di nuovi vasi ed il trasporto di nutrienti. Con la maturazione del cervello ed il passaggio all'età adulta, questi segnali di crescita diminuiscono. In età avanzata, il profilo si sposta nuovamente verso uno stato proinfiammatorio: i vasi diventano fisicamente più rigidi e meno efficienti nell'adattarsi alle esigenze del cervello. Questa transizione da un sistema flessibile e orientato alla crescita ad uno rigido ed infiammato fornisce una mappa molecolare dell'invecchiamento vascolare.
Lo studio ha inoltre identificato due proteine che fungono da ancoraggi strutturali essenziali. La prima, SLC7A1, è un regolatore specifico del periodo neonatale che collabora con la via di segnalazione NOS3 per mantenere la barriera emato-encefalica nei primi mesi di vita. La seconda, un enzima chiamato HYAL2, agisce come guardiano universale dell'integrità della barriera emato-encefalica in tutte le fasi della vita.
Il percorso NOS3
La via NOS3 (ossido nitrico sintasi 3) è un sistema di segnalazione che regola la dilatazione dei vasi sanguigni e mantiene la salute del rivestimento vascolare producendo ossido nitrico.
Quando i ricercatori hanno rimosso queste proteine nei modelli di laboratorio utilizzando vettori virali, la barriera è diventata permeabile.
Nuovi bersagli terapeutici per l'integrità della barriera emato-encefalica
La scoperta di questi interruttori molecolari potrebbe cambiare il modo in cui trattiamo le malattie neurologiche; se HYAL2 o SLC7A1 potessero essere modulati, potrebbero essere utilizzati per aggirare la barriera emato-encefalica.
"Quello che sappiamo ora è che abbiamo a disposizione due nuove vie, potenzialmente, per aprire la barriera emato-encefalica e per orientare lo sviluppo di nuove terapie", ha affermato Li.
Ciò potrebbe consentire la somministrazione mirata di chemioterapia o terapie geniche attualmente escluse dal cervello. Il rafforzamento di queste vie potrebbe anche contribuire a "sigillare" le perdite osservate nelle patologie neurodegenerative.
I ricercatori hanno confermato che la marcatura di prossimità WGA-HRP funziona anche in altri organi, come il rene e l'intestino, ed in diverse specie, tra cui il tupaia settentrionale.
"Questo metodo risolve un'esigenza importante, ma è anche molto facile da usare, quindi chiunque può utilizzarlo", ha affermato Li.
Poiché non richiede animali transgenici specializzati, i laboratori di tutto il mondo sono ora in grado di mappare le superfici vascolari di vari modelli di malattia.
Le ricerche future dovranno concentrarsi sulla trasposizione di questi risultati in contesti clinici umani. La creazione di mappe proteomiche simili per la vascolarizzazione specifica di ciascun organo umano potrebbe portare allo sviluppo di farmaci che rilasciano la loro dose solo in tessuti specifici.
Lo studio fornisce una risorsa enorme ed ad accesso libero per la comunità scientifica; definendo i protagonisti molecolari all'interfaccia tra il nostro sangue ed il nostro cervello, gli scienziati sono più vicini a trasformare una barriera biologica in una porta gestibile.
ENGLISH
A new proteomics method reveals how the blood–brain barrier matures, ages, and could be therapeutically controlled.
The blood–brain barrier (BBB) acts as a biological wall that protects the brain, while simultaneously blocking 98% of potential neurological drugs.
A new study from Janelia Research Campus and the Broad Institute has used high-resolution proteomics to map this interface in vivo for the first time. The results reveal how the barrier matures and ages, providing a blueprint for manipulating vascular permeability to treat neurodegeneration.
Mapping the blood–brain barrier through in vivo proteomics
Blood vessels are the body’s delivery network; they transport oxygen, nutrients, and immune cells to every organ. However, the brain is a little different.
The brain’s vessels form a highly selective barricade, known as the BBB, which acts as a physical and chemical filter that maintains the brain’s environment. This barrier is the primary interface between the blood and the brain; it must be permeable enough to let nutrients in, yet tight enough to keep toxins and pathogens out. When this wall fails, the results can be devastating, contributing to multiple sclerosis, encephalitis, and various forms of dementia.
The BBB is so effective that it blocks the majority of small-molecule drugs and nearly all large-molecule therapies for Alzheimer’s and Parkinson’s.
“Everything in the circulating blood, if they want to have an exchange with the organ, they need to pass through this interface,” explained senior author Dr. Jiefu Li, a group leader at Janelia Research Campus.
To study this system, researchers need to see the proteins on the inside of the blood vessel wall, also called the luminal surface. Despite their importance, until now, scientists have lacked a way to isolate surface proteins from the luminal surface in a living organism. Previous attempts often required complex genetic modifications or inadvertently labeled proteins deep inside the tissue rather than just the surface.
“Understanding how the BBB works, particularly figuring out the molecular targets that you can play with to open and close the barrier, will provide new possibilities for drug delivery,” said Li.
“This will allow us to say: we know that the vasculature system is doing different things in different organs, and it relies on this luminal surface, but how does that happen? What are the molecular players there?” he added.
Uncovering vascular aging with high-resolution proteomics
Li and the team developed a method called WGA-HRP proximity labeling. They used a sugar-binding protein, wheat germ agglutinin (WGA), and linked it to an enzyme called horseradish peroxidase (HRP). Because WGA sticks naturally to the interior of blood vessels, it anchors the enzyme to the luminal surface.
When the researchers then circulate a biotin probe through the blood, the enzyme activates it, tagging every nearby protein with a chemical flag. This allowed the team to use mass spectrometry to identify the proteins specifically located at the vascular interface without disturbing the surrounding brain tissue.
To track these changes over time, the researchers profiled the vascular proteome of mice at three distinct life stages: neonatal (6 days), adult (3 months), and aged (20 months).
The study produced an atlas of over 1,000 proteins that is now open access for the entire scientific community.
The resulting proteomics data revealed a dramatic shift over time. In neonatal stages, the BBB is a hive of activity, packed with proteins that drive the growth of new vessels and the transport of nutrients. As the brain matures into adulthood, these growth signals diminish. By old age, the profile shifts again toward a proinflammatory state, the vessels become physically stiffer and less efficient at adapting to the brain's needs. This transition from a flexible, growth-oriented system to a rigid, inflamed one provides a molecular map of vascular aging.
The study also identified two proteins that act as essential structural anchors. The first, SLC7A1, is a neonatal-specific regulator that works with the NOS3 pathway to maintain the barrier in early life. The second, an enzyme called HYAL2, acted as a universal guardian of the barrier's integrity across all ages.
The NOS3 pathway
The NOS3 pathway (Nitric oxide synthase 3) is a signaling system that regulates blood vessel dilation and maintains the health of the vascular lining by producing nitric oxide.
When the researchers removed these proteins in laboratory models using viral vectors, the barrier became leaky.
New therapeutic targets for blood–brain barrier integrity
The discovery of these molecular switches could change how we treat neurological disease; if HYAL2 or SLC7A1 can be modulated, they could be used to bypass the BBB.
“What we know now is that we have two new pathways, potentially, to open the blood–brain barrier and to inform some therapeutic developments,” said Li.
This could allow for the targeted delivery of chemotherapy or gene therapies that are currently excluded from the brain. Reinforcing these pathways could also help “plug” the leaks seen in neurodegenerative conditions.
The researchers confirmed WGA-HRP proximity labeling also worked in other organs, such as the kidney and intestine, and in different species, including the northern tree shrew.
“This method solves an important need, but it’s also a very easy-to-use method so everyone can use it,” Li said.
Because it does not require specialized transgenic animals, labs worldwide are now able to map the vascular surfaces of various disease models.
Future work will need to focus on translating these findings into human clinical contexts. Creating similar proteomic maps for human organ-specific vasculature could lead to drugs that only release their dose in specific tissues.
The study provides a massive, open-access resource for the scientific community; by defining the molecular players at the interface of our blood and our brain, scientists are closer to turning a biological wall into a manageable door.
Da:
https://www.technologynetworks.com/proteomics/news/proteins-controlling-the-bloodbrain-barrier-change-dramatically-with-age-411654
Commenti
Posta un commento