圖:1-dpi組織中A2急性損傷特異性TBI生物標志物HCDR3(綠色)和細胞核(藍色)的定性表征。感興趣區域(ROI)用白色方框表示。比例尺為200 μm。
圖片來源:亞利桑那州立大學的Sarah Stabenfeldt
亞利桑那州立大學的科學家們領導的一項新研究首次揭示了一些與導致死亡和殘疾的主要原因之一——創傷性腦損傷(TBI)有關的詳細分子線索。
創傷性腦損傷是一個日益嚴重的公共健康問題，影響了170多萬美國人，估計每年的損失為765億美元。它是工業化國家兒童和年輕人死亡和殘疾的主要原因，經歷過創傷性腦損傷的人更有可能發展成嚴重的、長期的認知和行為缺陷。
“不幸的是，TBI損傷進展的分子和細胞機制是多方面的，還沒有完全闡明，”Sarah Stabenfeldt說，亞利桑那州立大學教授和該研究的領導者和通訊作者，發表在該雜志上科學的進步． “因此，這種復雜性影響了TBI診斷和治療方案的發展;我們研究的目標就是解決這些目前的局限性。”
他們的研究方法是進行“生物掃描”搜索，以揭示幾個關鍵的分子特征，即生物標記物，在創傷事件(急性期)后立即識別，以及創傷的長期后果(慢性期)。
Sarah Stabenfeldt說:“對于創傷性腦損傷，病理會隨著時間的推移而演變和改變，這意味著單一的蛋白質或受體可能會在損傷的某個階段上調，而不是兩周后。”“這種動態環境使得制定成功的目標定位策略變得復雜。”
為了克服這些限制，亞利桑那州立大學的科學家們，由Sarah Stabenfeldt領導，利用小鼠模型進行研究，通過識別生物標志物——特定損傷或疾病中發現的獨特分子指紋，開始研究TBI的根本原因。
Stabenfeldt說:“神經創傷研究界是一個成熟的領域，它已經開發并表征了臨床前動物模型，以更好地理解TBI病理并評估治療干預的療效。”“使用已建立的小鼠模型使我們能夠進行生物標記，發現損傷病理的復雜性和進化的進展。”
科學家通常可以根據生物標志物的發現開始設計治療劑或診斷設備。Stabenfeldt的團隊使用了一種“自下而上”的方法來發現生物標志物。
“自上而下”的發現方法專注于根據已知的興趣條件評估候選生物標志物，”研究第一作者Briana說，她是Stabenfeldt實驗室最近的博士畢業生。相比之下，“自下而上”的方法分析組織組成的變化，并找到將這些變化與病情聯系起來的方法。這是一種更加公正的方法，但也可能存在風險，因為你可能會識別出與疾病或病理無關的標記。”
接下來，他們使用了幾種最先進的“生物掃描”工具和技術來識別和捕獲分子，包括一種名為噬菌體顯示系統的“誘餌”技術，用于捕捉潛在的目標分子，此外，他們還使用高速DNA測序來識別基因組中的蛋白質目標，并使用質譜儀來對相展示實驗中的肽片段進行測序。
進一步發現的障礙是一種獨特的生理學網狀網絡，旨在保護大腦免受傷害或有害化學物質，被稱為血腦屏障(BBB)。
“血腦屏障(BBB)是血管和腦組織之間的屏障，”Stabenfeldt解釋道。“在一個健康的個體中，血腦屏障嚴格地控制著從血液到大腦的營養和廢物交換，反之亦然，本質上劃分了大腦/中樞神經系統。”
“然而，這一屏障也使藥物到大腦的傳輸變得復雜，所以大多數分子/藥物不會被動地越過這一屏障;因此，藥物傳遞領域已經找到了調節進入和傳遞機制的方法。同樣，對于TBI或其他神經退行性疾病的血液生物標志物，病理特異性和分子(如果它來源于大腦)從大腦到血液的轉移也是一個挑戰。”
當TBI發生時，最初的損傷會破壞血腦屏障，從而引發一連串的細胞死亡、撕裂、破壞組織和碎片。
這種長期損傷會導致炎癥和腫脹，并導致免疫反應迅速采取行動，但也可能導致大腦能量來源受損，或可能會阻斷大腦的血液供應，導致更多的神經元細胞死亡和永久殘疾。
他們這套噬菌體展示系統的實驗工具和技術的一個關鍵優勢是，所識別的分子和潛在生物標志物足夠小，可以從血腦屏障網絡中的微小孔中滑過——因此，為基于這些分子的治療開辟了道路。
所以，盡管有這些障礙，團隊還是找到了方法。
Stabenfeldt說:“我們的研究利用噬菌體的敏感性和特異性來發現新的靶向motif。”“噬菌體和NGS(下一代測序)的結合以前已經被使用，從而利用生物信息學分析。我們研究的獨特貢獻是將所有這些工具結合在一起，專門用于TBI的體內模型。”
他們發現了一組獨特的生物標志物，這些標志物只與腦外傷的急性或慢性階段相關。在急性期，TBI靶點識別的靶點主要與代謝和線粒體(細胞的動力來源)功能障礙有關，而慢性TBI靶點主要與神經退行性過程有關。
“我們發現生物標志物的方法足夠敏感，可以檢測到實驗中不同時刻收集的大腦損傷，”研究第一作者Briana Martinez說，她是Stabenfeldt實驗室最近的博士畢業生。“很有趣的是，與神經退行性疾病相關的蛋白質在損傷后7天被檢測出來，而在更早的損傷后1天沒有被檢測出來。我們能夠觀察到這些差異的事實，確實表明了這種方法在探索腦損傷的各個方面是多么有用。”
這也可能開始解釋為什么有創傷性腦損傷的人在以后的生活中更容易患上神經退行性疾病，如帕金森病和阿爾茨海默病。
這一成功的發現渠道現在將成為下一代靶向TBI治療和診斷的基礎。
接下來，該小組計劃進一步與亞利桑那州立大學的臨床合作伙伴合作，擴大他們的研究范圍，開始在人類樣本中尋找這些相同的分子。