Naukowcy identyfikują wskazówki genetyczne łączące zanieczyszczenie powietrza z neurodegeneracją

Naukowcy identyfikują wskazówki genetyczne łączące zanieczyszczenie powietrza z neurodegeneracją

Nowe badania pokazują, że toksyczne powietrze może zmienić aktywność genów w mózgu, potencjalnie przygotowując grunt pod chorobę Alzheimera i Parkinsona oraz podkreślając potrzebę wczesnego wykrywania i silniejszej ochrony pracowników z grupy ryzyka.

Artykuł opublikowany w niedawnym artykule w czasopiśmieInaukaNaukowcy we Włoszech zbadali, w jaki sposób zanieczyszczenie powietrza przyczynia się do chorób neurodegeneracyjnych (ND) poprzez modyfikacje epigenetyczne. Podniosła potencjał wykorzystania markerów epigenetycznych do wykrywania wczesnych zmian wywołanych zanieczyszczeniem powietrza, szczególnie w grupach wysokiego ryzyka. Podkreślili potrzebę dalszych badań w celu ustalenia strategii w zakresie zdrowia zawodowego i profilaktyki zdrowotnej.

tło

U młodych dorosłych w zanieczyszczonych miastach występują niepokojące zmiany w mózgu. W ich tkance mózgowej wykryto zmniejszoną liczbę markerów histonowych (H3K9me2/ME3) i zwiększone sygnały dotyczące uszkodzenia DNA, co odzwierciedla patologię choroby Alzheimera na dziesięciolecia przed typowym wiekiem diagnozy.

ND to długotrwałe schorzenia, które wiążą się z utratą komórek nerwowych w mózgu lub układzie nerwowym, prowadzące do znacznych problemów z pamięcią, myśleniem, nastrojem i funkcjonowaniem fizycznym. Choroba Alzheimera i choroba Parkinsona są najczęstszymi i dotykają miliony ludzi na całym świecie. Wraz ze starzeniem się populacji wzrasta liczba osób cierpiących na te schorzenia. Wiele przypadków wiąże się z możliwymi do uniknięcia czynnikami ryzyka, takimi jak złe nawyki stylu życia, niskie wykształcenie lub dochody oraz narażenie na zanieczyszczenie środowiska.

Zanieczyszczenie powietrza składa się ze szkodliwych cząstek i gazów pochodzących ze źródeł naturalnych, takich jak pożary lasów i działalność człowieka, w tym spalanie paliw, ruch uliczny i emisje z fabryk. Cząsteczki mogą przenosić substancje toksyczne, w tym metale ciężkie, bakterie i lotne chemikalia. Chociaż zanieczyszczenie powietrza jest przede wszystkim powiązane z chorobami serca i płuc, obecnie wiąże się je również z uszkodzeniem mózgu i zwiększonym ryzykiem NDS. Niektórzy pracownicy, np. górnicy, pracownicy fabryk i kierowcy, mogą być szczególnie zagrożeni.

Jak zanieczyszczenie powietrza wpływa na mózg

Zanieczyszczenie powietrza może wpływać na zdrowie mózgu dwoma głównymi drogami: bezpośrednią i pośrednią. Droga bezpośrednia obejmuje ultradrobne cząstki i określone gazy przedostające się do krwioobiegu lub przemieszczające się przez nos do mózgu, potencjalnie powodując uszkodzenie bariery krew-mózg (BBB) ​​i stan zapalny. Niektóre zanieczyszczenia, takie jak dwutlenek azotu (NO₂), przekształcają się w związki aktywne, które wpływają na funkcjonowanie mózgu, podczas gdy inne, takie jak lotne związki organiczne (LZO), gromadzą się w tkance mózgowej ze względu na ich rozpuszczalność w tłuszczach. Chociaż dowody na bezpośredni wpływ tych substancji zanieczyszczających na mózg są ograniczone, badania wykazały, że substancje takie jak nanoplastiki, ołów i mangan mogą przenikać przez BBB i komórki mózgowe.

Szlak pośredni obejmuje zanieczyszczenia, które wywołują stan zapalny lub sygnały chemiczne (takie jak cytokiny, pęcherzyki zewnątrzkomórkowe lub egzosomy pochodzące z płuc/mózgu) w narządach takich jak płuca lub jelita. Cząsteczki te następnie przemieszczają się wraz z krwią do mózgu, zakłócając jego równowagę i potencjalnie prowadząc do problemów poznawczych i emocjonalnych. Zanieczyszczenie powietrza może również zakłócać pracę drobnoustrojów jelitowych i nosowych oraz wpływać na zdrowie mózgu poprzez mózg jelitowy lub węchowe osie mózgowe. Chociaż wciąż pojawiają się dowody eksperymentalne, zrozumienie tych mechanizmów może pomóc w identyfikacji wczesnych biomarkerów środowiskowych uszkodzeń mózgu, szczególnie w bezbronnych populacjach, takich jak pracownicy pracujący w zanieczyszczonym środowisku.

Ścieżki epigenetyczne

Komórki mózgowe wysyłają sygnały o niebezpieczeństwie do krwi. Pęcherzyki pozakomórkowe przenoszące materiał epigenetyczny z uszkodzonych neuronów i astrocytów mogą stać się rozpoznawalnymi biomarkerami o wczesnym potencjale, generującymi „wiadomość w butelce” z mózgu.

Zmiany epigenetyczne regulują funkcjonowanie mózgu bez zmiany sekwencji kwasu dezoksyrybonukleinowego (DNA). Zmiany te są kluczowe dla rozwoju mózgu, plastyczności synaptycznej i pamięci, ale są również wrażliwe na stresy środowiskowe, takie jak zanieczyszczenie powietrza. Przewlekłe narażenie na zanieczyszczenia może zakłócić te procesy epigenetyczne, potencjalnie prowadząc do chorób neurodegeneracyjnych. Istnieją dowody na to, że takie narażenie może zwiększyć ekspresję szkodliwych genów, zmniejszyć aktywność genów ochronnych i zmienić niekodujące kwasy rybonukleinowe (RNA). Zmiany te mogą wystąpić na długo przed wystąpieniem objawów, co podkreśla epigenetykę zarówno jako czynnik ryzyka, jak i wczesny biomarker chorób neurodegeneracyjnych.

Zanieczyszczenia w powietrzu mogą zakłócać funkcjonowanie mózgu poprzez zmianę niekodującego RNA i metylacji DNA, które regulują ekspresję genów. Badania na zwierzętach i ludziach pokazują, że zmiany te są związane z utratą pamięci, zapaleniem i chorobami neurodegeneracyjnymi. Jednak większość wyników badań u ludzi pochodzi z próbek krwi obwodowej, a nie tkanki mózgowej, co ogranicza interpretację kliniczną. Toksyny takie jak toluen, mangan i ołów mogą zmniejszać aktywność genów ochronnych lub zwiększać produkcję szkodliwych białek w mózgu. Niektóre skutki można nawet przekazać potomkom. Zanieczyszczenie powietrza zmienia również metylację DNA we krwi i tkance mózgowej, potencjalnie zwiększając ryzyko chorób w ciągu życia, szczególnie w przypadku wczesnego lub długotrwałego narażenia.

W niewielu badaniach zbadano, ze względu na wyzwania techniczne, zanieczyszczenie powietrza wpływa na modyfikacje histonów w chorobach neurodegeneracyjnych (ND). Jednak wczesne wyniki wskazują na powiązania między zanieczyszczeniem powietrza a zmienionymi markerami histonowymi, uszkodzeniem DNA i patologią choroby Alzheimera zarówno u ludzi, jak i myszy. Prenatalna ekspozycja na cząstki wpływa na rozwój mózgu, szczególnie u mężczyzn, w wyniku demetylacji histonów, co uwypukla podatność specyficzną dla płci. Cząstki tworzyw sztucznych i metale ciężkie również zakłócają modyfikacje histonów i powodują stres oksydacyjny, utratę pamięci i zapalenie układu nerwowego. W szczególności niektóre dowody eksperymentalne na modyfikacje histonów (np. zmiany wywołane manganem) pochodzą z badań wstrzyknięć, a nie z narażenia przez wdychanie, co stwarza niepewność co do rzeczywistego ryzyka wdychania. Inhibitory deacetylazy histonów i związki takie jak maślan (badane na myszach narażonych na ołów) wykazują potencjał w odwracaniu niektórych z tych efektów i zapewniają możliwości przyszłego leczenia ND.

Wnioski

Pracownicy mający kontakt z tworzywami sztucznymi stają w obliczu niewidzialnych zagrożeń. Nanocząsteczki producentów lub uszkodzone urządzenia oddechowe dostają się do mózgu, powodując tymczasowe uszkodzenie węchu i stan zapalny – wczesne objawy chorób neurodegeneracyjnych.

Ostatnie badania pokazują silne powiązania między zanieczyszczeniem powietrza a NDS, głównie poprzez zmiany epigenetyczne. Zanieczyszczenia mogą zmieniać metylację DNA, ekspresję niekodującego RNA i modyfikacje histonów, a wszystko to przyczynia się do zapalenia i uszkodzenia mózgu. Nowe metody, takie jak analiza pęcherzyków zewnątrzkomórkowych we krwi, mogą pomóc w wykryciu tych zmian bez inwazyjnych procedur. Jednak badanie modyfikacji histonów pozostaje wyzwaniem technicznym. Kluczowe luki pozostają. Zanieczyszczenie powietrza w świecie rzeczywistym jest złożone, co utrudnia badanie dokładnych skutków. Czynniki takie jak wielkość cząstek, zdrowie jednostki i narażenie na początku życia wpływają na ryzyko, ale nie są w pełni poznane. Różnice anatomiczne między modelami zwierzęcymi a ludźmi (np. budowa nosa) dodatkowo komplikują tłumaczenie badań dotyczących inhalacji. Większość badań koncentruje się na osobach starszych, krótkotrwałym narażeniu i ograniczonej liczbie substancji zanieczyszczających, pomijając długoterminowe i wczesne skutki. Badane są także choroby takie jak stwardnienie rozsiane, stwardnienie zanikowe boczne (ALS) i choroba Huntingtona.

Przyszłe badania powinny być długoterminowe, obejmować młodsze populacje i uwzględniać mniej zbadane zanieczyszczenia i drogi narażenia, takie jak dieta lub interakcje jelitowo-mózgowe. Połączenie technologii omicznych i sztucznej inteligencji może pomóc w identyfikacji biomarkerów i doprowadzić do opracowania terapii zapobiegawczych. Aby zmniejszyć ryzyko chorób psychicznych, niezbędna jest także lepsza ochrona pracy i środowiska, szczególnie w przypadku grup wysokiego ryzyka. Zajęcie się konsekwencjami regulacyjnymi wymaga walidacji narzędzi epigenetycznych do zastosowań klinicznych.

Źródła: