Новый способ изучения влияния ВИЧ на мозг

Хотя многие негативные последствия инфицирования вирусом иммунодефицита человека можно смягчить с помощью антиретровирусной терапии (АРТ), одна из областей, где медицинские достижения не достигли такого большого прогресса, заключается в снижении когнитивных воздействий. Половина пациентов с ВИЧ имеют связанные с ВИЧ нейрокогнитивные расстройства (HAND), которые могут проявляться различными способами, от забывчивости и путаницы до изменений поведения и двигательных нарушений.

Чтобы лучше понять механизмы, лежащие в основе HAND, исследователи из Школы стоматологии Пенна и Школы медицины им. Перельмана и из Детской больницы Филадельфии (CHOP) объединили свой дополнительный опыт для создания лабораторной модели системы, использующей три типа клеток головного мозга. принимать участие. Во главе с докторантом Шоном Райаном, который совместно руководил Келли Джордан-Скиутто из Penn Dental Medicine и Стюарт Андерсон из CHOP и Penn Medicine, модель повторяет важные особенности того, как ВИЧ-инфекция и АРТ влияют на мозг.

«Честно говоря, у моделей, которые мы обычно используем в области ВИЧ, есть много слабых мест», — говорит Джордан-Сьютто, соавтор статьи в статье, которая появляется в журнале. Отчеты о стволовых клетках, «Сила этой системы в том, что она позволяет нам смотреть на взаимодействие между различными типами клеток человеческого происхождения таким образом, чтобы это было более актуальным для пациентов, чем другие модели».

Помимо изучения ВИЧ, члены команды планируют использовать ту же модель, чтобы пролить свет на неврологические механизмы, лежащие в основе других состояний, таких как шизофрения, болезнь Альцгеймера и даже нормальное старение.

«Мы сотрудничаем с различными коллегами, чтобы использовать эту систему для изучения болезни Альцгеймера, а также шизофрении», — говорит Андерсон, соавтор статьи. «У нас есть компоненты в блюде, которые, как мы знаем, взаимодействуют при этих заболеваниях, и это дает нам новый способ сочетания и подбора, чтобы понять, как определенные клетки способствуют повреждению нейронов».

Действительно, стимул для создания модели вырос не из исследований по ВИЧ, а из работы, которую Райан проводил в лаборатории Андерсона по шизофрении.

«Мы рассматривали роль микроглии, резидентных иммунных клеток центральной нервной системы», — говорит Райан, первый автор работы. «Мы хотели посмотреть, сможем ли мы увидеть механистические изменения, которые происходят с микроглией при шизофрении».

Для этого Райану и Андерсону было интересно использовать индуцированные человеком плюрипотентные стволовые клетки — взрослые клетки, которые перепрограммированы так, чтобы напоминать эмбриональные стволовые клетки, — которые можно уговорить дифференцировать в различные типы клеток.

Но шизофрения — это сложное заболевание с множеством способствующих генетических факторов и факторов окружающей среды и широким спектром проявлений. Вместо того, чтобы смотреть на что-то сложное, они стремились применить свою новую систему к заболеванию, которое также наносит неврологический ущерб, но наносит более драматический характер и в котором также участвует микроглия: инфекция ВИЧ / СПИД.

Они обратились к Джордан-Скиутто, который имеет большой опыт исследования механизмов HAND и жаждал возможности разработать модель, превосходящую те, которые доступны в настоящее время. Вместе ученые определили три типа клеток, которые они больше всего интересовали в изучении: нейроны, астроциты и микроглия.

Нейроны не заражаются ВИЧ напрямую, но известно, что они повреждены во время заражения. Между тем, считается, что астроциты взаимодействуют с нейронами, вызывая повреждение, посылая провоспалительные факторы в пространства между клетками, называемые синапсами. А микроглия, которая отвечает за поддержание здоровой окружающей среды при отсутствии заболеваний, расширяется и способствует воспалению во время ВИЧ-инфекции.

После разработки технической задачи по созданию этой поддающейся лечению модели, в которой каждый тип клеток генерируется независимо и затем смешивается, команда использовала его для исследования того, как ВИЧ-инфекция и АРТ влияют на клетки, как по отдельности, так и в комбинации.

«Многие люди принимают PreEP [pre-exposure prophylaxis] если они находятся в ситуации, когда их риск заражения ВИЧ повышен, «говорит Райан.» Так же, как мы хотим понять когнитивное воздействие ВИЧ, мы также хотим посмотреть, влияют ли одни только эти препараты на здоровье мозга других здоровых людей «. люди.»

Исследователи изучили экспрессию РНК в своих культурах, чтобы понять, какие белки и сигнальные пути активируются в каждом сценарии. Во время инфекции они видели воспалительные пути, которые ранее были вовлечены в ВИЧ в более ранних исследованиях. Когда они ввели антиретровирусный препарат EFZ, который не является общепринятым в Соединенных Штатах, но остается передовой терапией во многих других регионах мира с инфекцией, активность большинства этих путей была снижена.

«Но у этого сценария был свой уникальный ответ», — говорит Райан. Определенные пути, связанные с воспалением и повреждением, остались, несмотря на введение EFZ.

«Лечение EFZ тремя культурами, включающими ВИЧ-инфицированную микроглию, уменьшает воспаление примерно на 70%», — говорит Райан. Интересно, что EFZ сам по себе также вызывает воспаление, хотя и в меньшей степени, чем инфекция.

«Кажется, комбинация инфекции и АРТ создает свой собственный уникальный ответ, который отличается от суммы его частей», — говорит Райан. «Знание того, какие пути все еще активны благодаря АРТ, может помочь нам соответствующим образом нацелить дополнительную терапию, чтобы у пациентов не развивалась РУКА».

Многие особенности инфекции, видимые в трехклеточной культуре, отражают то, что известно из ВИЧ-инфекции и АРТ-терапии у людей, что дает исследователям уверенность в надежности их модели.

«Просто глядя на микроглию, — говорит Андерсон, — мы видим в нашей системе, что они берут на себя обе свои нормальные роли в поддержании баланса ключевых сигнальных систем в их нормальном состоянии и активации и причинении ущерба, когда они борются с инфекцией. Мы способны моделировать нормальность и ненормальность так, как мы не могли раньше «.

Для Джордан-Сьютто новая система «действительно изменит способ работы моей лаборатории в будущем». Она надеется, что многие другие ученые, работающие с ВИЧ, продолжат свои исследования, поскольку она также исследует больше аспектов воздействия ВИЧ на мозг, например, как он проходит через гематоэнцефалический барьер, который обычно защищает центральную нервную систему от воспаления и инфекции.

Авторы исследования отдают должное среде сотрудничества в Пенне для этого междисциплинарного проекта. «Щупальца этого проекта простираются от CHOP до стоматологической школы, до ветеринарной школы до медицинской школы», — говорит Андерсон. «Пенн — это особенное место, где люди, кажется, с большей вероятностью делятся своими технологиями и позволяют другим людям работать с ними и развивать их. Этот проект является отличным примером этого».

Хотя многие негативные последствия инфицирования вирусом иммунодефицита человека можно смягчить с помощью антиретровирусной терапии (АРТ), одна из областей, где медицинские достижения не достигли такого большого прогресса, заключается в снижении когнитивных воздействий. Половина пациентов с ВИЧ имеют связанные с ВИЧ нейрокогнитивные расстройства (HAND), которые могут проявляться различными способами, от забывчивости и путаницы до изменений поведения и двигательных нарушений.

Чтобы лучше понять механизмы, лежащие в основе HAND, исследователи из Школы стоматологии Пенна и Школы медицины им. Перельмана и из Детской больницы Филадельфии (CHOP) объединили свой дополнительный опыт для создания лабораторной модели системы, использующей три типа клеток головного мозга. принимать участие. Во главе с докторантом Шоном Райаном, который совместно руководил Келли Джордан-Скиутто из Penn Dental Medicine и Стюарт Андерсон из CHOP и Penn Medicine, модель повторяет важные особенности того, как ВИЧ-инфекция и АРТ влияют на мозг.

«Честно говоря, у моделей, которые мы обычно используем в области ВИЧ, есть много слабых мест», — говорит Джордан-Сьютто, соавтор статьи в статье, которая появляется в журнале. Отчеты о стволовых клетках, «Сила этой системы в том, что она позволяет нам смотреть на взаимодействие между различными типами клеток человеческого происхождения таким образом, чтобы это было более актуальным для пациентов, чем другие модели».

Помимо изучения ВИЧ, члены команды планируют использовать ту же модель, чтобы пролить свет на неврологические механизмы, лежащие в основе других состояний, таких как шизофрения, болезнь Альцгеймера и даже нормальное старение.

«Мы сотрудничаем с различными коллегами, чтобы использовать эту систему для изучения болезни Альцгеймера, а также шизофрении», — говорит Андерсон, соавтор статьи. «У нас есть компоненты в блюде, которые, как мы знаем, взаимодействуют при этих заболеваниях, и это дает нам новый способ сочетания и подбора, чтобы понять, как определенные клетки способствуют повреждению нейронов».

Действительно, стимул для создания модели вырос не из исследований по ВИЧ, а из работы, которую Райан проводил в лаборатории Андерсона по шизофрении.

«Мы рассматривали роль микроглии, резидентных иммунных клеток центральной нервной системы», — говорит Райан, первый автор работы. «Мы хотели посмотреть, сможем ли мы увидеть механистические изменения, которые происходят с микроглией при шизофрении».

Для этого Райану и Андерсону было интересно использовать индуцированные человеком плюрипотентные стволовые клетки — взрослые клетки, которые перепрограммированы так, чтобы напоминать эмбриональные стволовые клетки, — которые можно уговорить дифференцировать в различные типы клеток.

Но шизофрения — это сложное заболевание с множеством способствующих генетических факторов и факторов окружающей среды и широким спектром проявлений. Вместо того, чтобы смотреть на что-то сложное, они стремились применить свою новую систему к заболеванию, которое также наносит неврологический ущерб, но наносит более драматический характер и в котором также участвует микроглия: инфекция ВИЧ / СПИД.

Они обратились к Джордан-Скиутто, который имеет большой опыт исследования механизмов HAND и жаждал возможности разработать модель, превосходящую те, которые доступны в настоящее время. Вместе ученые определили три типа клеток, которые они больше всего интересовали в изучении: нейроны, астроциты и микроглия.

Нейроны не заражаются ВИЧ напрямую, но известно, что они повреждены во время заражения. Между тем, считается, что астроциты взаимодействуют с нейронами, вызывая повреждение, посылая провоспалительные факторы в пространства между клетками, называемые синапсами. А микроглия, которая отвечает за поддержание здоровой окружающей среды при отсутствии заболеваний, расширяется и способствует воспалению во время ВИЧ-инфекции.

После разработки технической задачи по созданию этой поддающейся лечению модели, в которой каждый тип клеток генерируется независимо и затем смешивается, команда использовала его для исследования того, как ВИЧ-инфекция и АРТ влияют на клетки, как по отдельности, так и в комбинации.

«Многие люди принимают PreEP [pre-exposure prophylaxis] если они находятся в ситуации, когда их риск заражения ВИЧ повышен, «говорит Райан.» Так же, как мы хотим понять когнитивное воздействие ВИЧ, мы также хотим посмотреть, влияют ли одни только эти препараты на здоровье мозга других здоровых людей «. люди.»

Исследователи изучили экспрессию РНК в своих культурах, чтобы понять, какие белки и сигнальные пути активируются в каждом сценарии. Во время инфекции они видели воспалительные пути, которые ранее были вовлечены в ВИЧ в более ранних исследованиях. Когда они ввели антиретровирусный препарат EFZ, который не является общепринятым в Соединенных Штатах, но остается передовой терапией во многих других регионах мира с инфекцией, активность большинства этих путей была снижена.

«Но у этого сценария был свой уникальный ответ», — говорит Райан. Определенные пути, связанные с воспалением и повреждением, остались, несмотря на введение EFZ.

«Лечение EFZ тремя культурами, включающими ВИЧ-инфицированную микроглию, уменьшает воспаление примерно на 70%», — говорит Райан. Интересно, что EFZ сам по себе также вызывает воспаление, хотя и в меньшей степени, чем инфекция.

«Кажется, комбинация инфекции и АРТ создает свой собственный уникальный ответ, который отличается от суммы его частей», — говорит Райан. «Знание того, какие пути все еще активны благодаря АРТ, может помочь нам соответствующим образом нацелить дополнительную терапию, чтобы у пациентов не развивалась РУКА».

Многие особенности инфекции, видимые в трехклеточной культуре, отражают то, что известно из ВИЧ-инфекции и АРТ-терапии у людей, что дает исследователям уверенность в надежности их модели.

«Просто глядя на микроглию, — говорит Андерсон, — мы видим в нашей системе, что они берут на себя обе свои нормальные роли в поддержании баланса ключевых сигнальных систем в их нормальном состоянии и активации и причинении ущерба, когда они борются с инфекцией. Мы способны моделировать нормальность и ненормальность так, как мы не могли раньше «.

Для Джордан-Сьютто новая система «действительно изменит способ работы моей лаборатории в будущем». Она надеется, что многие другие ученые, работающие с ВИЧ, продолжат свои исследования, поскольку она также исследует больше аспектов воздействия ВИЧ на мозг, например, как он проходит через гематоэнцефалический барьер, который обычно защищает центральную нервную систему от воспаления и инфекции.

Авторы исследования отдают должное среде сотрудничества в Пенне для этого междисциплинарного проекта. «Щупальца этого проекта простираются от CHOP до стоматологической школы, до ветеринарной школы до медицинской школы», — говорит Андерсон. «Пенн — это особенное место, где люди, кажется, с большей вероятностью делятся своими технологиями и позволяют другим людям работать с ними и развивать их. Этот проект является отличным примером этого».