Болезни Тея-Сакса и Сандхоффа — генетические заболевания, поражающие мозг, — не имеют эффективного лечения и, как правило, приводят к летальному исходу в течение первых лет жизни.

Учёные пришли к выводу, что замена поражённых клеток генетически здоровыми может замедлить или остановить дегенерацию нейронов, вызывающую симптомы. Однако этот подход столкнулся с рядом проблем, включая плохое приживление трансплантата в мозге и реакцию «трансплантат против хозяина», при которой трансплантированные клетки атакуют здоровые ткани.

Исследователи из Стэнфордского медицинского центра разработали способ замены более половины наиболее поражённых клеток, называемых микроглией , не генетически подобранными клетками-предшественниками у мышей. У животных с одной из форм болезни Сандхоффа этот подход помог продлить жизнь и значительно снизить поведенческие и двигательные симптомы заболевания. Работа опубликована в журнале Nature .

Если этот подход удастся адаптировать к людям, он может дать проблеск надежды семьям детей с этими редкими заболеваниями . Поскольку использование собственных клеток пациента не является обязательным, этот подход может в будущем открыть возможность создания готовой терапии, которая будет быстрее и дешевле, чем индивидуальная генная инженерия для каждого случая.

«Используя определенную последовательность шагов, мы смогли добиться почти 100% внедрения генетически здоровых клеток в мозг мышей, избежав при этом как отторжения, так и реакции «трансплантат против хозяина»», — сказал профессор патологии, доктор медицинских наук Мариус Верниг.

«Это значительно лучше, чем предыдущие подходы. Более того, мы были поражены эффективностью этой терапии. Мыши выжили на протяжении всего эксперимента, продемонстрировали улучшение двигательной функции и восстановили нормальное поведение, например, способность исследовать открытое пространство. Разница между экспериментальными и контрольными животными была колоссальной».

Верниг, руководитель программы в Институте биологии стволовых клеток и регенеративной медицины Стэнфордского университета, является старшим автором исследования. Ведущим автором исследования является бывший научный сотрудник, доктор медицинских наук Мариус Мадер.

Разрушительные наследственные заболевания
Болезнь Тея-Сакса, которая встречается примерно у одного из 3700 новорожденных евреев-ашкенази, и болезнь Сандхоффа, которая встречается гораздо реже, относятся к классу наследственных заболеваний, называемых лизосомными болезнями накопления. Хотя эти заболевания встречаются редко, многие из них крайне разрушительны, особенно те, которые преимущественно поражают головной мозг. Дети с такими заболеваниями часто развиваются нормально в первые недели или месяцы жизни, но быстро регрессируют по мере дегенерации нейронов.

У детей, рождённых с этими заболеваниями, наблюдаются мутации генов ферментов, критически важных для функционирования лизосом — клеточных компартментов, отвечающих за расщепление ненужных белков, углеводов и жировых молекул, называемых липидами, на более мелкие строительные блоки для повторного использования. Если лизосомы не могут функционировать, эти молекулы накапливаются в клетке до опасного уровня.

Но есть загадка.

«Хотя симптомы этих заболеваний обусловлены дегенерацией нейронов, уровень лизосомальных ферментов в соседних иммунных клетках, называемых микроглией, иногда в тысячу раз выше, чем в нейронах», — говорит Верниг, научный сотрудник факультета им. доктора Салима и миссис Мэри Шелби. Так почему же нейроны погибают, если микроглия поражена сильнее?

Одной из многочисленных функций микроглии является поглощение и расщепление мертвых клеток или патогенов в мозге.

«Они подобны профессиональным уборщикам», — сказал Верниг. «Поэтому им гораздо больше нужны эти деградирующие ферменты, чем другим клеткам». Исследователи задались вопросом, может ли восстановление лизосомальных ферментов в микроглии каким-то образом помочь нейронам.

Предыдущие попытки исправить генетический дефицит микроглии при лизосомных болезнях накопления включали трансплантацию гемопоэтических стволовых клеток (часто называемую трансплантацией костного мозга ) для перезагрузки иммунной системы пациента, включая микроглию в головном мозге.

При этом типе трансплантации собственная иммунная система человека сначала устраняется с помощью лекарств (этап, называемый прекондиционированием), затем внутривенно вводятся генетически здоровые предшественники иммунных клеток в надежде, что они приживутся в организме пациента и начнут вырабатывать недостающий белок.

Однако доставка здоровых клеток в мозг затруднена, поскольку организм жёстко ограничивает доступ к центральной нервной системе. Другие возможные осложнения трансплантации всего организма включают уничтожение донорских клеток оставшимися иммунными клетками или, наоборот, опасную для жизни реакцию «трансплантат против хозяина».

Исследования, проведённые в лаборатории Вернига в 2022 году, показали, что можно добиться 90% приживления донорских клеток, подавляя иммунную систему животного-реципиента и обрабатывая его препаратом, уничтожающим существующую микроглию, что даёт донорским гемопоэтическим стволовым клеткам конкурентное преимущество в росте. Однако этот метод всё ещё требовал токсической предварительной подготовки и основывался на генетически идентичных донорских клетках для предотвращения реакции «трансплантат против хозяина».

«Трансплантация гемопоэтических стволовых клеток — тяжёлая процедура, — сказал Верниг. — Не стоит подвергать пациентов такому лечению, если только нет другого выхода».

Процедура целевой трансплантации
В текущем исследовании Мадер и Верниг проверили, смогут ли они разработать процедуру трансплантации, специфичную для мозга, которая позволит избежать токсической предварительной подготовки и последствий для всего организма, характерных для трансплантации гемопоэтических стволовых клеток.

С этой целью они сочетали терапию препаратами, разрушающими микроглию, с облучением мозга, чтобы создать пространство для новых клеток. Затем они вводили в мозг клетки-предшественники микроглии — более специализированную подгруппу гемопоэтических стволовых клеток — от генетически несовместимого животного-донора.

Наконец, они ввели два препарата, чтобы заблокировать активацию иммунных клеток из других частей организма, которые в противном случае убили бы несовместимые донорские клетки.

Это деликатное танго шагов привело к эффективному приживлению донорских клеток, которые прижились в мозге и развились в микроглию, не мигрируя в остальную часть тела и не подвергаясь нападению со стороны иммунной системы животного-реципиента.

Приживление клеток было длительным: более 85% микроглиальных клеток в мозге были получены из донорских клеток через восемь месяцев после трансплантации.

Мыши с вариантом болезни Сандхоффа, не получавшие лечения, прожили в среднем 135 дней, и ни одно животное не прожило более 155 дней. Напротив, пять животных, получавших специфическую для мозга трансплантацию микроглии, прожили до 250 дней на момент завершения эксперимента.

Хотя у долгоживущих мышей, получавших лечение, в конечном итоге развился паралич задних лап, они демонстрировали нормальное исследовательское поведение в большом открытом загоне и большую мышечную силу и координацию, чем контрольные животные.

Более подробное исследование взаимосвязи между донорской микроглией и ее нейронными соседями выявило нечто интригующее: отсутствующий лизосомальный фермент, который теперь вырабатывается микроглией, также можно было обнаружить в собственных нейронах животных.

Хотя причина пока неизвестна, Верниг и Мадер предполагают, что микроглия упаковывает и секретирует фермент в пространство между клетками, откуда он импортируется в нейроны.

«Это может быть важная, непризнанная роль микроглии: поставлять лизосомальные факторы в окружающую среду, включая нейроны», — сказал Верниг.

Исследователи настроены оптимистично и считают, что их подход можно адаптировать к людям, поскольку каждый отдельный этап — облучение, введение препаратов для уничтожения существующей микроглии и применение препаратов для предотвращения иммунной атаки на донорские клетки — уже применяется для лечения других заболеваний.

«В этом исследовании мы решили три важные проблемы», — сказал Верниг. «Мы добились эффективной трансплантации с ограничением доступа к мозгу без системной токсической прекондиционирования. Мы смогли использовать негенетически подобранные клетки, которым не требуется генная инженерия для синтеза недостающего лизосомального фермента, и избежали иммунного отторжения и реакции «трансплантат против хозяина». Мы очень довольны».

Исследователи также полагают, что данная терапия может найти широкое применение.

«Возможно, эти лизосомные болезни накопления — всего лишь ускоренная версия гораздо более распространенных нейродегенеративных заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера или Паркинсона», — сказал Верниг.

«Если это так, то эта терапия может оказаться очень полезной не только для небольшой группы детей, но и для многих, многих людей».