Metabolomi delle Cellule Cerebrali Mappati nel Corso dell'Invecchiamento e della Malattia di Alzheimer

Comprendere in che modo i singoli tipi di cellule cerebrali mantengano il proprio metabolismo è stato a lungo ostacolato dalla difficoltà di isolare un numero sufficiente di neuroni e glia puri e vitali dal tessuto cerebrale adulto. Questo studio-risorsa di riferimento affronta tale lacuna generando profili metabolomici completi di microglia, astrociti e neuroni purificati direttamente dalla corteccia cerebrale e dall'ippocampo di topo, ed esaminando come tali profili cambino con l'invecchiamento e nella malattia di Alzheimer (AD).

Il gruppo di ricerca ha utilizzato ceppi di topi transgenici che esprimono EGFP o EYFP sotto il controllo di promotori cellulo-tipo-specifici (Cx3cr1 per la microglia, GFAP/Aldh1l1 per gli astrociti e linee neurone-specifiche) per marcare fluorescentemente ciascuna popolazione. Le cellule sono state isolate mediante selezione cellulare attivata da fluorescenza e sottoposte sia a metabolomica mirata (che identifica oltre 70 metaboliti) sia a metabolomica non mirata (che rileva 9.854 caratteristiche metaboliche), insieme al sequenziamento dell'RNA in bulk per integrare i dati trascriptomici e metabolomici.

Il risultato più rilevante è stato che la microglia risulta fortemente arricchita in glutatione (GSH) e nel metabolismo delle poliammine rispetto agli astrociti e ai neuroni. Questo arricchimento è stato confermato in vivo mediante immunocolorazione e tracciamento metabolico. È importante sottolineare che i livelli di GSH e di poliammine nella microglia si sono ridotti significativamente durante il normale invecchiamento e nel modello murino di Alzheimer 5xFAD. Le analisi di correlazione hanno rivelato che l'attività metabolica del GSH e delle poliammine era strettamente legata all'espressione di geni correlati alle chemochine nella microglia — geni fondamentali per la segnalazione immunitaria e la sorveglianza.

Per verificarne il significato funzionale, i ricercatori hanno interrotto il percorso di biosintesi del GSH specificamente nella microglia utilizzando approcci di knockout condizionale. La perdita della funzione della via del GSH ha portato alla downregolazione delle reti geniche correlate alle chemochine, a una morfogenesi microgliale aberrante (perdita della normale architettura ramificata) e a un aumento della deposizione di placche β-amiloidi nei cervelli del modello AD. Questi risultati stabiliscono un legame meccanicistico tra il metabolismo antiossidante della microglia e le sue funzioni immunitarie e neuroprotettive.

Anche gli astrociti e i neuroni hanno mostrato firme metaboliche distinte, con gli astrociti che presentano un arricchimento nelle vie del ciclo degli aminoacidi, coerente con il loro ruolo nel ciclo glutammato–glutammina. L'intero dataset è stato reso pubblicamente disponibile su metabolismocean.org/braincell, offrendo un atlante di riferimento per le comunità della neuroscienze e del metabolismo. Le limitazioni includono il fatto che tutti gli esperimenti sono stati condotti su topi, che il processo di isolamento potrebbe alterare alcuni metaboliti labili e che le relazioni causali tra metaboliti specifici e fenotipi di malattia richiedono ulteriore validazione.