Белок молодости TIMP2 помог иммунным клеткам стареющего мозга работать эффективнее

В опытах на мышах TIMP2 изменял состояние микроглии: меньше признаков воспаления и лучше очистка мозга от клеточного мусора

С возрастом мозг сталкивается не только с изменениями нейронов. Стареет и система, которая должна поддерживать окружающую их среду в рабочем состоянии.

Одни из её важнейших участников — микроглия. Это иммунные клетки центральной нервной системы, которые постоянно контролируют происходящее вокруг нейронов, поглощают повреждённые структуры и клеточный мусор и участвуют в поддержании нормальной работы нервной ткани.

Исследование, опубликованное в Nature Communications, показывает, что на способность микроглии справляться с этой работой может влиять TIMP2 — tissue inhibitor of metalloproteinases 2, или тканевый ингибитор металлопротеиназ-2. Ранее этот белок уже связывали с эффектами молодых факторов крови на мозг старых мышей.

Теперь исследователи обнаружили ещё одну часть этой истории: TIMP2 способен менять состояние иммунных клеток мозга.

Микроглия — это не просто «иммунитет внутри мозга»

Представьте город, в котором непрерывно появляются повреждённые конструкции и отходы. Пока коммунальные службы быстро их убирают, город продолжает нормально работать. Если уборка замедляется, проблема заключается уже не только в количестве мусора: постепенно меняется вся среда.

В некотором смысле похожую задачу выполняет микроглия.

Эти клетки поглощают повреждённый материал — процесс называется фагоцитозом — и участвуют в реакции мозга на повреждение. Но с возрастом их работа меняется. Микроглия может хуже справляться с удалением мусора, переходить в неблагоприятные воспалительные состояния и приобретать признаки клеточного старения.

Это особенно интересно в контексте нейродегенеративных заболеваний. Возраст остаётся главным известным фактором риска болезни Альцгеймера, а многие генетические варианты, связанные с её риском, имеют отношение именно к функциям клеток миелоидного происхождения, включая микроглию.

Поэтому исследователи пытаются понять не только то, что происходит с нейронами при старении, но и почему меняются клетки, которые должны обслуживать и защищать окружающую их среду.

Почему внимание привлёк именно TIMP2

TIMP2 давно известен как белок, регулирующий активность определённых ферментов — металлопротеиназ — и состояние внеклеточного матрикса, то есть молекулярной среды вокруг клеток.

Но у него оказалась значительно более интересная биология.

Предыдущие исследования этой же научной группы показали, что TIMP2 присутствует в особенно высоких концентрациях в плазме очень молодых людей и мышей, а затем его уровень снижается. В экспериментах введение TIMP2 старым мышам улучшало некоторые показатели пластичности гиппокампа и памяти.

Гиппокамп — область мозга, особенно важная для формирования памяти.

Возник естественный вопрос: действует ли TIMP2 только через нейроны и окружающий их внеклеточный матрикс или способен влиять ещё и на иммунную систему мозга?

Новое исследование было построено именно вокруг этого вопроса.

Что происходило, когда TIMP2 исчезал

Учёные использовали несколько моделей мышей. В одних TIMP2 отсутствовал во всём организме, в других исследователи удаляли ген Timp2 преимущественно в микроглии или в нейронах.

Это важная часть дизайна эксперимента: она позволила проверить, зависит ли эффект только от одного источника белка.

Результат оказался достаточно последовательным.

При отсутствии TIMP2 в микроглии активировались программы генов, связанные с иммунной активацией и регуляцией цитокинов. Одновременно исследователи обнаружили признаки программ, связанных с клеточным старением.

В мозге мышей без TIMP2 увеличивалось количество микроглии, экспрессирующей CD68 — белок, связанный с лизосомами, внутриклеточной системой переработки поглощённого материала.

Но здесь обнаружилась важная деталь.

Больше CD68 вовсе не означало, что клетки стали лучше убирать мусор.

Клетка может выглядеть активной и одновременно хуже справляться с работой

Это один из наиболее интересных результатов исследования.

Когда TIMP2 отсутствовал, микроглия демонстрировала больше признаков активации, но её способность к фагоцитозу снижалась.

Исследователи наблюдали меньше синаптического материала внутри лизосом микроглии в гиппокампе. А когда TIMP2 удаляли непосредственно из микроглии, клетки хуже поглощали и удаляли миелин.

Миелин — богатая липидами оболочка нервных волокон. С возрастом его повреждённые фрагменты накапливаются, и микроглии приходится перерабатывать всё больше такого материала.

Именно поэтому воспаление нельзя просто представить как ситуацию, когда иммунные клетки «работают слишком сильно». Иногда проблема заключается в другом: они работают много, но неправильно.

Без TIMP2 менялась даже среда вокруг клеток мозга

Авторы пошли дальше и попытались посмотреть не только на сами клетки, но и на молекулы в межклеточной жидкости гиппокампа.

Для этого использовали микродиализ in vivo — метод, позволяющий отбирать вещества непосредственно из межклеточного пространства мозга живых, свободно движущихся мышей.

У животных без TIMP2 обнаружили повышение ряда белков, связанных с воспалением, клеточным стрессом и лизосомальной активностью.

Среди них были CCL20, EDA2R, HGF и TPP1.

Авторы осторожно интерпретируют эту картину как признаки более воспалительной среды, потенциально содержащей больше плохо перерабатываемого клеточного материала.

То есть отсутствие TIMP2 отражалось не только на поведении отдельных клеток. Менялось их молекулярное окружение.

TIMP2 оказался частью собственной системы микроглии

Ещё один неожиданный результат: микроглия не просто реагирует на TIMP2 из крови или от соседних нейронов.

Она сама производит этот белок.

В гиппокампе взрослых мышей исследователи обнаружили TIMP2 примерно у 21% микроглиальных клеток. В культуре микроглия также выделяла TIMP2 во внеклеточную среду.

Особенно интересно клетки реагировали на миелин.

Когда микроглию подвергали воздействию миелина, выделение TIMP2 увеличивалось примерно в два раза по сравнению с исходными условиями.

Это позволяет предположить существование своеобразной локальной системы обратной связи: столкнувшись с материалом, который необходимо переработать, микроглия увеличивает выделение белка, который, в свою очередь, помогает поддерживать её способность справляться с этой задачей.

Но конкретная молекулярная цепочка этого механизма пока полностью не установлена.

Что произошло, когда TIMP2 вернули старому мозгу

Самая очевидная проверка заключалась в обратном эксперименте.

Если отсутствие TIMP2 связано с неблагоприятным состоянием микроглии, сможет ли добавление белка изменить клетки старого мозга?

Исследователи использовали 20-месячных мышей — это пожилой возраст для лабораторного животного. Им системно вводили рекомбинантный TIMP2 по 50 мкг на килограмм через день, всего восемь инъекций.

После примерно двух с половиной недель лечения микроглия изменилась.

Количество клеток с признаками повышенной CD68-активности уменьшилось. Анализ активности генов показал снижение доли некоторых микроглиальных состояний, связанных с воспалением, образованием активных форм кислорода и клеточным старением.

Одновременно увеличилась представленность программ, связанных с ответом на повреждение, переработкой липидов и фагоцитозом.

И произошло функциональное изменение: микроглия старых мышей стала активнее поглощать синаптический материал.

Это важнее, чем изменение одного лабораторного маркера. Исследователи получили свидетельство того, что менялось не только молекулярное состояние клетки, но и одна из её ключевых функций.

«Омоложение» здесь означает совсем не возвращение клетки в молодость

Слово «омоложение» легко может создать неправильное впечатление.

Исследователи не превратили старые клетки в молодые и не показали, что мозг мышей стал биологически молодым.

Результат тоньше.

TIMP2 смещал микроглию из некоторых неблагоприятных возрастных состояний в сторону профилей, которые авторы связывают с более защитной реакцией на повреждение. Одновременно клетки эффективнее выполняли часть своей работы по поглощению физиологического материала.

Именно здесь происходит ключевой момент.

Возможно, для сохранения функций стареющего мозга недостаточно пытаться воздействовать непосредственно на нейроны. Не менее важной мишенью может оказаться качество работы клеток, которые обслуживают окружающую их среду.

При чём здесь болезнь Альцгеймера

Связь исследования с болезнью Альцгеймера существует, но её важно не преувеличивать.

С возрастом вероятность нейродегенеративных заболеваний резко возрастает, а нарушения работы микроглии давно рассматриваются как один из компонентов их биологии. Более того, генетические исследования болезни Альцгеймера указывают на важность путей, связанных с фагоцитозом и эндолизосомальной системой микроглии.

Однако новое исследование не показывает, что TIMP2 предотвращает или лечит болезнь Альцгеймера у людей.

Основные эксперименты проводились на мышах, причём значительная часть работы посвящена нормальному старению мозга, а не лечению модели болезни Альцгеймера.

Поэтому правильный вывод значительно осторожнее: TIMP2 помогает раскрыть один из возможных механизмов, связывающих возраст, состояние микроглии и способность мозга справляться с накоплением повреждений.

До лекарства ещё очень далеко

Работа не отвечает на главный клинический вопрос: можно ли получить такой же эффект у человека.

Неизвестно, насколько одинаково TIMP2 регулирует микроглию мышей и людей. Не определена оптимальная продолжительность воздействия. Не установлено, какие молекулярные мишени TIMP2 непосредственно запускают наблюдаемые изменения.

Есть и ещё одна важная сложность: фагоцитоз микроглии нельзя считать безусловно полезным процессом. Эти клетки удаляют повреждённые структуры, но участвуют и в перестройке синапсов. Поэтому терапевтически просто «усилить уборку» недостаточно — необходимо понимать, что именно клетки начинают поглощать, в каком количестве и при каких заболеваниях.

Кроме того, один из авторов исследования, Джозеф Кастеллано, указан как соавтор патентов, связанных с применением TIMP2 и молодых плазменных факторов при состояниях, ассоциированных со старением. Это не отменяет результатов работы, но представляет собой потенциальный конфликт интересов, который важно учитывать при оценке перспектив технологии.

Следующим шагом должны стать исследования конкретных молекулярных мишеней TIMP2, проверка его действия в различных моделях нейродегенерации и выяснение того, переносится ли обнаруженный механизм на человеческую микроглию.