– Всего лишь за один час микроглия очистила мозг от половины токсичных амилоидных белков, не повреждая его ткани! – восклицает Цай. – Однако в этом эксперименте мыши находились на ранней стадии болезни Альцгеймера.
В сущности, микроглиальные клетки не только вычищали бляшки. Они разделяли куски бета-амилоидных белков на крошечные фрагменты, которые становились безвредным мусором. Теперь они были достаточно маленькими для переноса по лимфатическим сосудам мозга, – тем самым сосудам, которые, как недавно установил Джонатан Кипнис, проходили через менингеальные полости мозга и соединялись с сосудами лимфатической системы организма.
Цай признает, что ее открытие было «совершенно случайным». Она откидывается на стуле и помахивает руками в воздухе, выражая бурную радость. Подозреваю, это довольно редкая реакция для заслуженного нейроученого, возглавляющего группу из тридцати человек в одном из самых прославленных исследовательских институтов.
– В этом заключается красота исследований, – говорит она. – Вы никогда не знаете, куда наука может завести вас.
Тем не менее, когда Цай впервые увидела результат эксперимента, ее первой мыслью было: «Сможем ли мы повторить это?» Она признается, что провела без сна три ночи подряд.
– Мне было трудно осмыслить идею, которая на наших глазах превратилась в правду. Я постоянно думала: какую информацию я должна собрать, чтобы убедиться, что своими глазами видела происходящее? Наверное, если я смогу разобраться, какие события произошли на молекулярном уровне, и объяснить их, то буду уверена в нашей находке.
Поэтому Цай и ее ассистенты пометили флуоресцентным красителем мозговые ткани в гиппокампе мышей, чтобы с помощью оптогенетики – своей первоначальной инвазивной методике – увидеть движение микроглиальных клеток и тщательно рассмотреть их действия внутри мозга. Затем они включили устройство лазерной стимуляции и стали наблюдать. Их ожидало поразительное зрелище.
До начала терапии «микроглиальные клетки были пассивными и только вырабатывали нейротоксичные цитокины, – говорит Цай. – Микроглия выглядела вялой и болезненной. Но через час оптогенетической обработки она в два раза увеличилась в размерах и приступила к делу. 90 % микроглиальных клеток начали вычищать амилоидные белки. Хватило одного часа, чтобы вернуть их к работе!»
Однако в эксперименте было два крупных подвоха. Во-первых, через сутки содержание амилоидных белков вернулось к прежнему уровню. Во-вторых, для оптогенетики необходимо проделать отверстие в черепе.
Поэтому Цай и ее коллеги вернулись к неинвазивной методике GENUS с целью посмотреть, сможет ли более продолжительный курс светодиодной гамма-терапии, не требующей физического проникновения в череп, надолго ликвидировать амилоидные бляшки. На этот раз они лечили пожилых мышей, у которых уже образовались комки из таких бляшек, которые появляются на поздней стадией болезни Альтцгеймера. Лечение длилось по одному часу в течение семи дней.
Теперь они увидели нечто совершенно новое. По словам Цай, более долгая светодиодная гамма-терапия привела к уменьшению комков амилоидных бляшек. Неоднократные сеансы изменили поведение микроглиальных клеток и превратили их из воспалительных агентов хаоса, повреждающих клетки мозга токсичными веществами, в деятельных защитников, как и было задумано природой.
После терапии микроглиальные клетки стали необыкновенно подвижными. Они окружали нейроны противовоспалительными нейропротекторами, стимулировали рост новых нейронов в том числе и в гиппокампе. Одновременно они продолжали искать амилоидные узелки и бляшки, фрагментировать их и уносить прочь. На этот раз результаты оказались устойчивее, бляшки не появлялись снова вплоть до одной недели.
Мозг начинал исцелять себя.
– Я как будто попала в сон: все казалось волшебным и нереальным, – признается Цай. – Казалось, что однажды утром я проснусь и пойму, что это неправда, – она кладет руки на стол перед собой и делает глубокий вдох. – Но это правда, – добавляет она, сверкая карими глазами. – И теперь мы собираемся посмотреть, эффективно ли это для человеческого мозга.
Цай впервые опубликовала свои открытия в журнале Nature в 2016 году[163], а сопроводительное исследование – в журнале Cell в 2019 году. Между тем другие ученые также обнаружили, что специфические неинвазивные дозировки ультразвуковых импульсов помогают микроглии убирать амилоидные бляшки при болезни Альцгеймера у животных. Ученые из Квинслендского института мозга[164] при Квинслендском университете в Австралии обнаружили, что повторная ультразвуковая терапия уменьшает количество амилоидных бляшек в мозге мышей на 75 %. Такие мыши показывали хорошие результаты в тестах на память, включая распознавание объектов и прохождение через лабиринт.
Находки Цай и других исследователей помогают переориентировать изучение болезни Альцгеймера и лечить ее как заболевание иммунной системы мозга – иными словами, заболевание микроглии. В 2018 году Цай опубликовала статью, в которой поделилась инструкциями[165] по созданию аппарата неинвазивной светодиодной терапии (GENUS) в надежде, что другие лаборатории начнут применять его не только для наблюдения и лечения болезни Альцгеймера, но и других расстройств мозга, таких как аутизм и шизофрения.
– Мы знаем, что микроглия должна активно избавляться от узелков и бляшек, которые накапливаются в мозге, но при болезни Альцгеймера она почему-то не делает этого, – говорит Цай. – Напротив, она начинает способствовать воспалению мозга.
Что же заставляет здоровую микроглию превращаться из ангела-хранителя в убийцу?
Связь между микроглией, генами и болезнью Альцгеймера
Как я уже упоминала, в 2016 году лаборатория Маргарет Маккарти[166] при Мэрилендском университете продемонстрировала, что если внешние факторы переводят микроглию в затяжное воспалительное состояние, то это приводит к изменению генов, контролирующих ее долговременное поведение, и вызывает бесконтрольное нейронное воспаление. Чем оно сильнее, тем с большей вероятностью микроглия начинает уничтожать синапсы, вырабатывать воспалительные вещества, и прекращает удалять амилоидные узелки и бляшки.
Микроглиальные клетки перестают быть «добрыми докторами» мозга и начинают уничтожать синапсы. Они делают это потому, что гены, управляющие их поведением, претерпели изменения, которые называются эпигенетическими сдвигами. Такие сдвиги происходят в силу уникальной генетической предрасположенности и индивидуального влияния окружающей обстановки, включая стрессовые факторы, инфекции, травмы и токсины. Это можно представить как изменение их операционной кодировки. Такие эпигенетические сдвиги вынуждают гены ошибочно атаковать синапсы, вырабатывать токсичные вещества и оставлять без внимания кучи клеточного мусора.
Исследователи обнаружили целый ряд генов, значительно повышающих риск развития болезни Альцгеймера, и многие из них напрямую связаны с микроглией. К примеру, когда происходит мутация рецепторного гена TREM2, существующего только в микроглиальных клетках, они во многом утрачивают способность защищать мозг от образования амилоидных бляшек. Люди с разными вариантами этой мутации в три раза больше подвержены риску развития болезни Альцгеймера[167]. В нормальных условиях рецепторы TREM2 защищают мозг от амилоидных бляшек, помогая микроглиальным клеткам формировать длинные отростки, которые окружают, поглощают и перерабатывают эти бляшки на ранней стадии формирования. Но в уязвимом мозге рецепторы TREM2 внезапно утрачивают способность помогать микроглии. Происходит сдвиг регуляторных способностей экспрессии этого гена[168], и микроглия начинает вырабатывать нейротоксины и провоспалительные цитокины, которые ускоряют образование бляшек[169].
Однако знание этого обстоятельства помогает ученым не так хорошо, как хотелось бы. Цай объясняет: потенциально существуют сотни генов, специфически связанных с микроглией, которые принимают участие во включении и отключении ее «хороших» и «плохих» качеств. Это значит, что «способ воздействия на один или даже несколько генов едва ли будет достаточно эффективным для восстановления мозговой функции».
«С другой стороны, микроглия, – подчеркивает она, – похожа на один огромный переключатель, через который проходит множество генных сигналов. И если мы считаем, что светодиодная гамма-терапия может изменять положение этого переключателя, значит, она может заставить микроглию делать работу, которую она должна выполнять».
Поиск биомаркеров для болезни Альцгеймера
За полгода до того, как Цай опубликовала свое революционное исследование, Бет Стивенс обнародовала свое. Оно доказывало, что микроглиальные клетки начинают уничтожать помеченные комплементами синапсы на очень ранних стадиях болезни Альцгеймера. Фактически Стивенс обнаружила, что потеря синапсов – раннее событие в развитии этого заболевания. Микроглиальные клетки скапливались и поглощали здоровые синапсы мозга[170] задолго до начала формирования бляшек и за десятилетия до проявления симптомов болезни. По крайней мере, такое наблюдалось у животных. Корреляция между исчезновением синапсов и последующим развитием первых признаков когнитивного снижения оказалась даже сильнее, чем корреляция между когнитивной дисфункцией и наличием бляшек и узелков в головном мозге.
Процесс напоминает цепную реакцию. Микроглия переключается на уничтожение синапсов. Бляшки и узелки образуют скопления. Эти скопления, похожие на айсберги, не могут вымываться из мозга и сильнее активирует микроглию. Она переходит в наступление и начинает пожирать еще больше синапсов, воспаляя нейроны и заставляя другие глиальные клетки, такие как астроциты, вырабатывать нейротоксины. Тогда психическое и когнитивное состояние человека начинает ухудшаться.