由亞利桑那州立大學(xué)科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的新研究揭示了一些與死亡和殘疾的主要原因之一相關(guān)的第一個(gè)詳細(xì)分子線索，這種情況被稱為創(chuàng)傷性腦損傷(TBI)。
TBI是一個(gè)日益嚴(yán)重的公共衛(wèi)生問(wèn)題，影響超過(guò)170萬(wàn)美國(guó)人，估計(jì)每年損失765億美元。它是工業(yè)化國(guó)家兒童和年輕人死亡和殘疾的主要原因，患有TBI的人更容易出現(xiàn)嚴(yán)重的長(zhǎng)期認(rèn)知和行為缺陷。
“不幸的是，TBI損傷進(jìn)展的分子和細(xì)胞機(jī)制是多方面的，尚未完全闡明，”亞利桑那州立大學(xué)教授、該研究的領(lǐng)導(dǎo)者和通訊作者SarahStabenfeldt說(shuō)，該研究發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》雜志上。“因此，這種復(fù)雜性會(huì)影響TBI診斷和治療方案的開(kāi)發(fā);我們研究的目標(biāo)是解決這些當(dāng)前的限制。”
他們的研究方法是進(jìn)行“生物淘選”搜索，以揭示幾個(gè)關(guān)鍵分子特征，稱為生物標(biāo)志物，在損傷事件(急性期)后立即識(shí)別，以及TBI的長(zhǎng)期后果(慢性期)。
“對(duì)于TBI，病理學(xué)會(huì)隨著時(shí)間的推移而發(fā)展和變化，這意味著單個(gè)蛋白質(zhì)或受體可能在損傷的一個(gè)階段被上調(diào)，但不會(huì)在兩周后，”SarahStabenfeldt說(shuō)。“這種動(dòng)態(tài)環(huán)境使得制定成功的目標(biāo)策略變得復(fù)雜。”
為了克服這些限制，由SarahStabenfeldt領(lǐng)導(dǎo)的ASU科學(xué)家利用小鼠模型進(jìn)行研究，開(kāi)始通過(guò)識(shí)別生物標(biāo)志物來(lái)研究TBI的根本原因——在給定的損傷或疾病中發(fā)現(xiàn)的獨(dú)特分子指紋。
“神經(jīng)創(chuàng)傷研究界是一個(gè)成熟的領(lǐng)域，已經(jīng)開(kāi)發(fā)和表征了臨床前動(dòng)物模型，以更好地了解TBI病理學(xué)并評(píng)估治療干預(yù)的功效，”Stabenfeldt說(shuō)。“使用已建立的小鼠模型，我們能夠進(jìn)行生物標(biāo)志物發(fā)現(xiàn)損傷病理學(xué)的復(fù)雜性和演變正在進(jìn)展的地方。”
科學(xué)家們通常可以根據(jù)生物標(biāo)志物的發(fā)現(xiàn)開(kāi)始設(shè)計(jì)治療劑或診斷設(shè)備。Stabenfeldt的團(tuán)隊(duì)使用“自下而上”的方法來(lái)發(fā)現(xiàn)生物標(biāo)志物。
“自上而下”的發(fā)現(xiàn)方法側(cè)重于根據(jù)已知參與感興趣的條件評(píng)估候選生物標(biāo)志物，”該研究的第一作者Briana說(shuō)，他是Stabenfeldt實(shí)驗(yàn)室最近的博士畢業(yè)生。“相比之下，“底部-up”方法分析組織成分的變化，并找到一種將這些變化與病情聯(lián)系起來(lái)的方法。這是一種更公正的方法，但可能存在風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)槟赡軙?huì)識(shí)別出不特定于感興趣的病癥或病理學(xué)的標(biāo)記物。”
接下來(lái)，他們利用幾種最先進(jìn)的“生物淘選”工具和技術(shù)來(lái)識(shí)別和捕獲分子，包括這種“誘餌”技術(shù)，用于撈出稱為噬菌體展示系統(tǒng)的潛在目標(biāo)分子，以及高速DNA測(cè)序可識(shí)別基因組內(nèi)的蛋白質(zhì)靶標(biāo)，質(zhì)譜儀可對(duì)來(lái)自相位顯示實(shí)驗(yàn)的肽片段進(jìn)行測(cè)序。
發(fā)現(xiàn)的另一個(gè)障礙是網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的獨(dú)特生理學(xué)，旨在保護(hù)大腦免受傷害或有害化學(xué)物質(zhì)，稱為血腦屏障(BBB)。
“血腦屏障(BBB)屏障是血管和腦組織之間的屏障，”Stabenfeldt解釋說(shuō)。“在一個(gè)健康的個(gè)體中，血腦屏障嚴(yán)格調(diào)節(jié)從血液到大腦的營(yíng)養(yǎng)和廢物交換，反之亦然，從本質(zhì)上劃分大腦/中樞神經(jīng)系統(tǒng)。”
'然而，這個(gè)屏障也使藥物輸送到大腦變得復(fù)雜，因此大多數(shù)分子/藥物不會(huì)被動(dòng)地穿過(guò)這個(gè)屏障;因此，藥物輸送領(lǐng)域已經(jīng)找到了調(diào)節(jié)進(jìn)入和輸送機(jī)制的方法。同樣，對(duì)于TBI或其他神經(jīng)退行性疾病的基于血液的生物標(biāo)志物，病理學(xué)的特異性和分子(如果它起源于大腦)從大腦到血液的轉(zhuǎn)移是一個(gè)挑戰(zhàn)。”
當(dāng)TBI發(fā)生時(shí)，最初的損傷會(huì)破壞BBB，從而引發(fā)一連串的細(xì)胞死亡、撕裂、破壞的組織和碎片。
長(zhǎng)期的損傷會(huì)引起炎癥和腫脹，導(dǎo)致免疫反應(yīng)迅速發(fā)揮作用，但也可能導(dǎo)致大腦能量來(lái)源受損，或者會(huì)阻塞大腦的血液供應(yīng)，導(dǎo)致更多的神經(jīng)元細(xì)胞死亡和終身殘疾。
他們的噬菌體展示系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)工具和技術(shù)套件的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)是，所鑒定的分子和潛在生物標(biāo)志物足夠小，可以穿過(guò)血腦屏障網(wǎng)內(nèi)的小孔——因此，為基于這些分子。
因此，盡管存在所有這些障礙，團(tuán)隊(duì)還是找到了方法。
“我們的研究利用噬菌體的敏感性和特異性來(lái)發(fā)現(xiàn)新的靶向基序，”Stabenfeldt說(shuō)。“噬菌體和NGS[下一代測(cè)序]的組合以前已被使用，從而利用了生物信息學(xué)分析。我們研究的獨(dú)特貢獻(xiàn)是將所有這些工具專門(mén)用于TBI的體內(nèi)模型。”
他們發(fā)現(xiàn)了一套僅與TBI急性期或慢性期相關(guān)的獨(dú)特生物標(biāo)志物。在急性期，TBI靶向基序識(shí)別主要與代謝和線粒體(細(xì)胞的發(fā)電站)功能障礙相關(guān)的靶標(biāo)，而慢性TBI基序主要與神經(jīng)退行性過(guò)程相關(guān)。
“我們的生物標(biāo)志物發(fā)現(xiàn)方法足夠靈敏，可以檢測(cè)在實(shí)驗(yàn)中不同時(shí)間收集的大腦損傷，”研究第一作者、最近獲得博士學(xué)位的BrianaMartinez說(shuō)。畢業(yè)于Stabenfeldt的實(shí)驗(yàn)室。“看到與神經(jīng)退行性疾病有關(guān)的蛋白質(zhì)在受傷后7天被檢測(cè)到，但在受傷后1天的早期時(shí)間點(diǎn)卻沒(méi)有檢測(cè)到，這真的很有趣。我們能夠觀察到這些差異的事實(shí)確實(shí)表明了它的有用性這種方法可以用于探索腦損傷的各個(gè)方面。”
它也可能開(kāi)始解釋為什么患有TBI的人在以后的生活中更容易患上帕金森氏癥和阿爾茨海默氏癥等神經(jīng)退行性疾病。
這一成功的發(fā)現(xiàn)管道現(xiàn)在將成為下一代靶向TBI治療和診斷的基礎(chǔ)。
接下來(lái)，該小組計(jì)劃進(jìn)一步與ASU的臨床合作伙伴合作，并擴(kuò)大他們的研究范圍，開(kāi)始在人類(lèi)樣本中尋找這些相同的分子。
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