Predstavte si, že v rohu vašej kuchyne vypukne malý požiar. So správnym hasiacim prístrojom by ste ho možno dokázali rýchlo uhasiť. Namiesto toho sa však spustí sprinklerový systém, ktorý zaplaví celý dom, čím sa z lokálneho problému stane rozsiahla škoda. Podľa výskumníkov by sa niečo podobné mohlo diať v mozgoch ľudí trpiacich Alzheimerovou chorobou. Amyloidné plaky – lepkavé zhluky bielkovín, ktoré sa hromadia v mozgu – sú ako oheň. Mikroglia, imunitné bunky prítomné v mozgu, fungujú ako sprinklery. Ich reakcia má chrániť mozog, ale v konečnom dôsledku môže situáciu ešte zhoršiť. Tím z Univerzity v Kentucky teraz po prvýkrát identifikoval tento škodlivý proces a ukázal spôsob, ako ho zastaviť.

Imunitné bunky v mozgu súvisia so stratou spánku pri Alzheimerovej chorobe

V štúdii uverejnenej v časopise Alzheimer’s & Dementia vedci pod vedením Dr. Shannon L. Macauleyovej, docentky fyziológie na Lekárskej fakulte Univerzity v Kentucky, a prvého autora Dr. Nicholasa J. Constantina, čerstvého absolventa doktorandského štúdia na tejto univerzite, zistili, že mikroglia je hlavnou príčinou straty spánku v zvieracom modeli Alzheimerovej choroby.

Keď výskumníci pomocou lieku dočasne eliminovali väčšinu týchto buniek, zvieratá znovu získali viac ako dve hodiny spánku denne. Tento objav poukazuje na potenciálny nový cieľ liečby tejto choroby, čo Macauleyová opísala ako „zmenu paradigmy“. Doteraz vedci pripisovali stratu spánku spojenú s Alzheimerovou chorobou predovšetkým poškodeným nervovým bunkám alebo prítomnosti amyloidných plakov. Nové zistenia naznačujú, že táto porucha môže namiesto toho vyplývať z oveľa rozsiahlejšej imunitnej reakcie, podobnej „reakcii celého domu“.

„V podstate sme ukázali, že to nie sú samotné plaky ani výlučne dysfunkčné neuróny, ktoré spôsobujú stratu spánku, ale v skutočnosti mikroglia,“ povedal Macauley. „Mikroglia sú imunitné bunky, ktoré pri reakcii na plaky spúšťajú túto zložitú zápalovú kaskádu – akoby mikroglia celú noc oslavovali a udržovali mozog v bdelom stave.“

Meranie spánku a mozgovej aktivity

Aby výskumníci odlíšili zmeny súvisiace s Alzheimerovou chorobou od zmien spôsobených bežným starnutím, študovali dve skupiny myší. Jedna skupina mala genetickú predispozíciu na tvorbu amyloidných plakov, zatiaľ čo druhá pozostávala z myší „divokého typu“, ktoré starnuli normálne. Zvieratá boli vyšetrené vo veku šiestich mesiacov, keď sa plaky objavujú po prvýkrát, a opäť vo veku 18 mesiacov, čo je štádium predstavujúce pokročilé štádium ochorenia.

Tím použil niekoľko najmodernejších prístrojov na dôkladné sledovanie zmien v spánku a mozgovej aktivite. Myši mali na hlavách pripevnené malé zariadenia, ktoré zaznamenávali elektroencefalogramy (EEG) a elektromyogramy (EMG). EEG zachytáva vzory elektrickej aktivity a oscilácií v mozgových sieťach, čím vytvára niečo, čo by sa dalo opísať ako elektrický odtlačok mozgu. EMG meria svalovú aktivitu. Spolu tieto dve metódy umožnili výskumníkom presne určiť, kedy boli zvieratá hore, v hlbokom, regeneračnom spánku alebo kedy snívali.

Na lokalizáciu imunitných buniek, ktoré, ako to opísal Macauley, „celú noc oslavovali“, výskumníci použili aj techniku nazývanú mikroskopia svetelným listom. Pri tejto metóde sa mozgová tkanina zviditeľní a pomocou tenkého laserového lúča sa následne vytvorí detailný digitálny 3D obraz. Tento prístup poskytol tímu komplexný prehľad nielen o amyloidných plakoch, ale aj o imunitných bunkách v celom mozgu.

Dočasné odstránenie mikroglií

Aby vedci overili, či mikroglia skutočne spôsobovala poruchu spánku, použili liek nazývaný pexidartinib (PLX3397). Tento liek bol pôvodne vyvinutý pre výskum rakoviny a blokuje signálnu dráhu, na ktorej mikroglia závisí pre svoje prežitie. Po tom, čo myši dostávali tento liek 14 dní, bolo dočasne eliminovaných približne 87 % imunitných buniek v mozgu. Výskumníci následne mohli zistiť, či sa spánok v ich neprítomnosti zlepšil.

Tím tiež použil matematickú metódu nazývanú „Fitting Oscillations and One Over Frequency“ na klasifikáciu elektrickej aktivity mozgu do dvoch kategórií: periodická aktivita (rytmické vlny, ktoré bežne označujeme ako mozgové vlny) a aperiodická aktivita (elektrický šum v pozadí). Pomocou analógie s autom vedci v podstate testovali, či motor mozgu naďalej beží pri nezvyčajne vysokých otáčkach aj vtedy, keď sú zvieratá v pokoji.

Včasné plaky vyvolávajú pretrvávajúci deficit spánku

Macauley opísal výsledky ako „ohromujúce a neočakávané“. Zistenia ukázali, že hromadenie plakov a poruchy spánku sa nezhoršovali spoločne v rámci postupného zhoršovania. „Očakával som, že poruchy spánku sa budú zhoršovať aj s nárastom množstva plakov,“ povedal Constantino. „Poruchy spánku a kortikálnej EEG aktivity, ktoré sa objavili po šiestich mesiacoch, keď sa plaky prvýkrát objavili, sa po 18 mesiacoch nezhoršili, hoci množstvo plakov sa viac než zdvojnásobilo.“

Tím tento vzorec označil ako „stropný efekt“. Hoci sa koncentrácia plakov viac ako zdvojnásobila, rozsah straty spánku zostal približne rovnaký. Tento zistenie naznačuje, že počiatočná vlna imunitnej aktivity vyvolaná ranými plakmi môže stačiť na vysvetlenie problémov so spánkom. Ďalšie plaky nemusia viesť k proporcionálnemu nárastu porúch spánku.

Alzheimerova choroba narúša regeneračný spánok

Štúdia tiež pomohla odlíšiť účinky bežného procesu starnutia od tých, ktoré sú spojené s patológiou Alzheimerovej choroby. Bežné starnutie viedlo predovšetkým k zníženiu REM (Rapid Eye Movement) spánku, fázy spánku spojenej so snívaním a upevňovaním pamäti. Naopak, amyloidná patológia selektívne znižovala spánok NREM (non-rapid eye movement), teda hlbokú, regeneračnú fázu spánku.

„Tento regeneračný spánok je mimoriadne dôležitý pre fyzickú regeneráciu, učenie a pamäť, ako aj pre odstraňovanie toxínov nahromadených počas dňa,“ uviedol Macauley. „Keď pacienti s Alzheimerovou chorobou stratia túto fázu, strácajú primárny čistiaci cyklus svojho mozgu, čím vzniká spätná väzba, ktorá môže podporovať ďalšie poškodenie.“ Strata tejto regeneračnej fázy by preto mohla spustiť škodlivý cyklus. Zlý spánok môže oslabiť schopnosť mozgu odstraňovať odpadové produkty, čo by mohlo prispieť k ďalšiemu poškodeniu a ešte závažnejším poruchám spánku.

Obnovenie spánku o viac ako dve hodiny

Najpozoruhodnejší výsledok sa objavil po tom, čo výskumníci odstránili mikroglie. Myši s patológiou podobnou Alzheimerovej chorobe znovu nadobudli viac ako dve hodiny spánku za noc po tom, čo bola odstránená väčšina ich imunitných buniek v mozgu. Ich fázy regeneračného NREM spánku sa tiež predĺžili, čím získali viac príležitostí na prechod do zdravého REM spánku, ktorý podporuje tvorbu nových spomienok. Dôležité je, že k tomuto zlepšeniu došlo aj napriek tomu, že množstvo amyloidných plakov v mozgu zostalo nezmenené.

Tento zistenie naznačuje, že zápalová reakcia na plaky by mohla byť reverzibilnou príčinou straty spánku a mohla by sa potenciálne liečiť oddelene od samotných plakov. To zároveň nastoľuje dôležitú otázku pre budúci výskum: Mohlo by obnovenie tohto zásadného spánku u ľudí pomôcť prerušiť pozitívnu spätnú väzbu spojenú s Alzheimerovou chorobou?

K tomuto objavu došlo v rámci výskumného prostredia laboratória Macauleyovej v Inštitúte fyziológie v Centre pre starnutie Sanders-Brown. Macauleyová pripísala tento pokrok „skvelému partnerstvu“ medzi ňou, jej študentmi a ďalšími stážistami. Členov svojho tímu povzbudzuje, aby sa stali „ľuďmi, ktorí podstupujú premyslené riziká“, a vo svojej kancelárii má vyvesený citát od Wayna Gretzkyho: „100 % striel, ktoré nevystrelíš, minieš.“

Nositeľné EEG by mohlo pomôcť pri včasnejšej detekcii

Hlavným cieľom výskumu je vyvinúť cenovo dostupné a neinvazívne nástroje pre ľudí postihnutých Alzheimerovou chorobou. Súčasné zistenia ponúkajú niekoľko smerov pre budúcu prácu. Výskumníci identifikovali vzory elektrickej mozgovej aktivity, ktoré zdanlivo odlišujú zmeny súvisiace s Alzheimerovou chorobou od bežného procesu starnutia. Veria, že technológia EEG by mohla v konečnom dôsledku slúžiť ako „ľahko dostupný, cenovo dostupný a longitudinálny biomarker pre Alzheimerovu chorobu“.

„Vďaka nositeľným EEG systémom by sme mohli monitorovať ľudí v ich domácom prostredí a potenciálne ich skríningovať na zmeny spojené s Alzheimerovou chorobou bez toho, aby sme spočiatku potrebovali drahé alebo invazívne testy,“ povedal Macauley. Takéto zariadenia by mohli umožniť miestnym klinikám v celom štáte Kentucky skríningovať rizikových pacientov skôr, ako budú musieť cestovať na veľké vzdialenosti do veľkých nemocníc, aby podstúpili špecializovanejšie vyšetrenia.

Upokojenie mikroglií bez ich odstránenia

Macauleyho laboratórium v súčasnosti skúma spôsoby, ako znížiť nadmernú aktivitu mikroglií bez úplného odstránenia týchto buniek. Tím testuje bezpečné lieky, ktoré sa už používajú, vrátane lieku na cukrovku metformínu a antiepileptika stiripentolu. Cieľom výskumníkov je zistiť, či tieto lieky môžu ovplyvniť energetický metabolizmus mikroglií a znížiť ich sklon k nadmernej aktivite. Tím dúfa, že tým, že zabráni imunitným bunkám udržiavať „motor“ mozgu v stave zvýšenej aktivity, obnoví zdravý spánok a zlepší kvalitu života ešte roky predtým, než sa prejaví znateľná strata pamäti.

„Ak sa nám podarí cielene zasiahnuť do tohto procesu, mohlo by to zlepšiť kvalitu života, pozornosť, kognitívne schopnosti a znížiť zmätenosť,“ uviedol Macauley. Hľadanie účinných riešení začína identifikáciou príčiny problému aj správneho nástroja na jej riešenie. Macauleyho tím dosahuje pokrok na oboch frontoch.