Используя технику секвенирования отдельных клеток, бразильские исследователи создали первый атлас клеток фокальной кортикальной дисплазии (ФКД), порока развития коры головного мозга, который приводит к лекарственно-устойчивой эпилепсии. Эти случаи наиболее распространены среди детей и подростков, составляя до 50% операций по поводу эпилепсии в этой возрастной группе.

С помощью атласа удалось охарактеризовать различные типы клеток, присутствующие в очаге поражения мозга, и определить, какие из них вовлечены в заболевание. Результат открывает путь к разработке новых специфических методов лечения этого типа дисплазии.

Молекулярные механизмы, ответственные за эпилептические припадки у пациентов с ФКД, плохо изучены. У людей с тяжелыми случаями может быть от 40 до 50 припадков в день, с потерей сознания и падениями. Когда лекарства не справляются с припадками, хирургическое вмешательство является вариантом, но оно сопряжено с рисками, такими как проблемы со зрением, слухом и речью.

В исследовании, опубликованном в журнале iScience , исследователи смогли картировать на клеточном уровне как транскрипционные изменения, вовлеченные в процесс преобразования ДНК в информационную РНК («рецепт» для создания белков), так и эпигенетические изменения (модификация экспрессии генов посредством биохимических процессов без изменения последовательности ДНК). Эти механизмы регулируют, как гены активируются или дезактивируются для производства белков и других функциональных молекул, что известно как экспрессия генов .

Исследование также выявило субпопуляции нейронов, микроглии и астроцитов, вовлеченных в заболевание. Эта группа клеток образует кору головного мозга и обеспечивает функционирование, защиту и адаптацию нервной системы.

Исследование выявило особую нейронную популяцию у пациентов с ФКД, характеризующуюся экспрессией нейрофиламента NEFM+ (нейронального белка), которая включает так называемые дисморфические нейроны. Это аномальные клетки, обнаруженные в коре этих пациентов, которые отвечают за измененные синапсы, вызывающие эпилептические припадки.

Что касается микроглии (клеток иммунной системы, расположенных в мозге), то были обнаружены две субпопуляции, называемые CD74+ и CD83+. Они могут быть связаны с активацией иммунной системы и нейровоспалением.

«Используя передовую геномную технику, мы получили клеточную и, следовательно, чрезвычайно подробную картину этого порока развития мозга. Мы выявили глубокие клеточные изменения в коре этих пациентов, включая потерю нейронов в верхних слоях, а также незрелые астроциты и популяции микроглии, расширенные в очагах поражения и связанные с воспалением. Этот клеточный атлас имеет большое значение для понимания механизмов и поиска конкретных методов лечения, которые могут быть нацелены на идентифицированные клетки», — объясняет вычислительный биолог Диого Вейга, корреспондент статьи.

Вейга — научный сотрудник Школы медицинских наук Государственного университета Кампинаса (FCM-UNICAMP), входит в команду Бразильского института нейронауки и нейротехнологий (BRAINN).

В работе, которая началась в 2021 году, группа сгенерировала набор данных из 61 525 отдельных клеток из 11 клинических образцов очаговых кортикальных дисплазий, полученных от пациентов, перенесших операцию, и от контрольной группы. Секвенирование отдельных клеток — это передовой метод молекулярной биологии, который позволяет анализировать генетический материал (ДНК или РНК) индивидуально, предоставляя детальное представление о клеточной гетерогенности и выявляя гораздо более специфические характеристики изучаемых поражений.

Одной из проблем был анализ объема данных.

«Мы потратили много времени на разработку вычислительного рабочего процесса и тестирование различных подходов, чтобы иметь возможность идентифицировать субпопуляции, связанные с заболеванием», — говорит Вейга, подчеркивая вклад своей аспирантки Изабеллы Котта Гальвао, первого автора статьи.

Работа была представлена ​​на национальных и международных мероприятиях, включая симпозиум «Атлас клеток человека» в Латинской Америке в июле 2024 года, в котором приняли участие исследователи в области геномики отдельных клеток.

Чтобы повысить уровень знаний по этой теме в Бразилии, исследователи Ишия Лопес-Сендес и Жаклин Джералдис, обе из FCM-UNICAMP и авторы статьи, организовали мероприятие «Single-Cell Omic Fusion: Navigating Spatial Omics in Biomedical Research» в ноябре прошлого года. Семинар ознаменовал запуск Single-Cell and Spatial Omics Brazil, научного сообщества, призванного содействовать сотрудничеству и продвижению этой области в стране.

Эпилепсия, неизлечимое неврологическое заболевание, поражает около 50 миллионов человек во всем мире, согласно данным Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ). В Бразилии насчитывается около 2 миллионов случаев. В прошлом году крупнейшее исследование, когда-либо опубликованное по этой теме в мире, выявило своего рода «генетическую архитектуру» заболевания, определив 26 областей генома, связанных с этим расстройством. Бразилия была единственной страной Латинской Америки, представленной через BRAINN.

Следующие шаги
Результаты исследования были включены в базу данных клеток CellxGene, которая является частью консорциума Human Cell Atlas. Основанный в 2016 году, консорциум насчитывает более 3000 членов в 99 странах, объединяя биологов, клиницистов, технологов, физиков, компьютерных ученых, инженеров-программистов и математиков.

В результате другие группы могут использовать эти данные в своих исследованиях и попытаться найти более целенаправленные методы лечения фокальной кортикальной дисплазии.

«Такой тип обмена данными сегодня необходим для ускорения прогресса в медицинских исследованиях. Мы делаем доступными данные, полученные за счет государственных средств, возвращая инвестиции общества на благо всех», — говорит Лопес-Сендес.

Вейга говорит, что его группа теперь использует ту же технику отдельных клеток для изучения развития мозга младенца и другого типа дисплазии, чтобы выяснить, есть ли какие-либо сходства.