Forskare identifierar genetiska ledtrådar som kopplar luftföroreningar till neurodegeneration

Forskare identifierar genetiska ledtrådar som kopplar luftföroreningar till neurodegeneration

Ny forskning visar att giftig luft kan omforma genaktiviteten i hjärnan, vilket potentiellt sätter scenen för Alzheimers och Parkinsons och understryker behovet av tidig upptäckt och starkare skydd för arbetstagare i riskzonen.

Artikel publicerad i en ny artikel i tidningenIscienceForskare i Italien undersökte hur luftföroreningar bidrar till neurodegenerativa störningar (ND) genom epigenetiska modifieringar. Hon lyfte potentialen för att använda epigenetiska markörer för att upptäcka tidiga förändringar som utlösts av luftföroreningar, särskilt i högriskgrupper. De betonade behovet av ytterligare forskning för att vägleda strategier för företagshälsovård och förebyggande hälsa.

bakgrund

Unga vuxna i förorenade städer visar alarmerande förändringar i hjärnan. Minskade histonmarkörer (H3K9me2/ME3) och ökade DNA-skadasignaler hittades i deras hjärnvävnad, vilket återspeglar Alzheimers patologi årtionden före den typiska åldern för diagnos.

ND är långvariga tillstånd som involverar förlust av nervceller i hjärnan eller nervsystemet, vilket leder till betydande problem med minne, tänkande, humör och fysisk funktion. Alzheimers sjukdom och Parkinsons sjukdom är de vanligaste och drabbar miljontals människor världen över. När befolkningen åldras ökar antalet personer med dessa tillstånd. Många fall är förknippade med riskfaktorer som kan förebyggas, inklusive dåliga livsstilsvanor, låg utbildning eller inkomst och exponering för miljöföroreningar.

Luftföroreningar består av skadliga partiklar och gaser från naturliga källor som skogsbränder och mänskliga aktiviteter inklusive bränsleförbränning, trafik och fabriksutsläpp. Partiklar kan bära giftiga ämnen inklusive tungmetaller, bakterier och flyktiga kemikalier. Även om luftföroreningar främst är kopplade till hjärt- och lungsjukdomar, är det nu också kopplat till hjärnskador och en ökad risk för NDS. Vissa arbetare, såsom gruvarbetare, fabriksarbetare och chaufförer, kan vara särskilt utsatta.

Hur luftföroreningar påverkar hjärnan

Luftföroreningar kan påverka hjärnans hälsa genom två primära vägar: direkt och indirekt. Den direkta vägen involverar ultrafina partiklar och vissa gaser som kommer in i blodomloppet eller färdas genom näsan till hjärnan, vilket potentiellt kan orsaka skada på blod-hjärnbarriären (BBB) ​​och inflammation. Vissa föroreningar som kvävedioxid (NO₂) omvandlas till aktiva föreningar som påverkar hjärnans funktion, medan andra som flyktiga organiska föreningar (VOC) ackumuleras i hjärnvävnaden på grund av deras fettlösliga natur. Även om bevis på direkta hjärneffekter från dessa föroreningar fortfarande är begränsade, har studier visat att ämnen som nanoplast, bly och mangan kan passera BBB och hjärnceller.

Den indirekta vägen involverar föroreningar som utlöser inflammation eller kemiska signaler (som cytokiner, extracellulära vesiklar eller lunga/hjärnavledda exosomer) i organ som lungor eller tarmar. Dessa molekyler färdas sedan genom blodomloppet till hjärnan, stör dess balans och potentiellt leda till kognitiva och känslomässiga problem. Luftföroreningar kan också störa tarm- och nasala mikrober och påverka hjärnans hälsa genom tarmhjärnan eller lukthjärnan. Även om experimentella bevis fortfarande dyker upp, kan förståelse av dessa mekanismer hjälpa till att identifiera tidiga biomarkörer för miljöskador på hjärnan, särskilt i utsatta populationer som arbetare i förorenade miljöer.

Epigenetiska vägar

Hjärnceller släpper nödsignaler till blodet. Extracellulära vesiklar som bär epigenetiskt material från skadade neuroner och astrocyter kan bli igenkännbara biomarkörer med tidig potential, vilket genererar ett "meddelande i en flaska" från hjärnan.

Epigenetiska förändringar reglerar hjärnans funktion utan att ändra deoxiribonukleinsyra (DNA) sekvenser. Dessa förändringar är avgörande för hjärnans utveckling, synaptisk plasticitet och minne, men är också känsliga för miljöpåfrestningar som luftföroreningar. Kronisk exponering för föroreningar kan störa dessa epigenetiska processer, vilket kan leda till ND. Det finns bevis för att sådan exponering kan öka uttrycket av skadliga gener, minska aktiviteten hos skyddande gener och förändra icke-kodande ribonukleinsyror (RNA). Dessa förändringar kan inträffa långt före symtomen, vilket framhäver epigenetik som både en riskfaktor och en tidig biomarkör för ND.

Föroreningar i luften kan störa hjärnans funktion genom att förändra icke-kodande RNA och DNA-metylering, som båda reglerar genuttryck. Djur- och humanstudier visar att dessa förändringar är förknippade med minnesförlust, inflammation och ND. Men de flesta mänskliga fynd kommer från perifera blodprover, inte hjärnvävnad, vilket begränsar klinisk tolkning. Toxiner som toluen, mangan och bly kan minska aktiviteten hos skyddande gener eller öka produktionen av skadliga proteiner i hjärnan. Vissa effekter kan till och med överföras till ättlingar. Luftföroreningar förändrar också DNA-metylering i blod och hjärnvävnad, vilket potentiellt ökar risken för sjukdomar under hela livslängden, särskilt vid tidig eller långvarig exponering.

Få studier har undersökt hur luftföroreningar påverkar histonmodifieringar i neurodegenerativa sjukdomar (ND) på grund av tekniska utmaningar. Tidiga resultat visar dock kopplingar mellan luftföroreningar och förändrade histonmarkörer, DNA-skador och Alzheimers sjukdomspatologi hos både människor och möss. Prenatal exponering för partiklar påverkar hjärnans utveckling, särskilt hos män, på grund av histondemetylering, vilket framhäver könsspecifika sårbarheter. Plastpartiklar och tungmetaller stör också histonmodifieringar och orsakar oxidativ stress, minnesförlust och neuroinflammation. I synnerhet kommer vissa experimentella bevis för histonmodifieringar (t.ex. mangan-inducerade förändringar) från injektionsstudier snarare än inandningsexponering, vilket skapar osäkerhet om verkliga inandningsrisker. Histondeacetylashämmare och föreningar som butyrat (studerat i blyexponerade möss) visar potential för att vända några av dessa effekter och ger vägar för framtida ND-behandlingar.

Slutsatser

Arbetare som hanterar plast möter osynliga hot. Nanopartiklar från tillverkare eller skadade andningsapparater kommer in i hjärnan och orsakar tillfälliga luktskador och inflammation – tidiga varningstecken på neurodegenerativa sjukdomar.

Ny forskning visar starka kopplingar mellan luftföroreningar och NDS främst genom epigenetiska förändringar. Föroreningar kan förändra DNA-metylering, icke-kodande RNA-uttryck och histonmodifieringar, som alla bidrar till hjärninflammation och skada. Nya metoder som analys av extracellulära vesiklar i blodet kan hjälpa till att upptäcka dessa förändringar utan invasiva procedurer. Att studera histonmodifikationer förblir dock tekniskt utmanande. Viktiga luckor kvarstår. Luftföroreningar i verkligheten är komplexa, vilket gör det svårt att studera exakta effekter. Faktorer som partikelstorlek, individuell hälsa och exponering i tidigt liv påverkar risken men är inte helt klarlagda. Anatomiska skillnader mellan djurmodeller och människor (t.ex. nasal struktur) komplicerar ytterligare översättningen av inhalationsstudier. Den mesta forskningen fokuserar på äldre vuxna, kortvarig exponering och ett begränsat antal föroreningar, med hänsyn till långsiktiga och tidiga effekter. Sjukdomar som multipel skleros, amyotrofisk lateralskleros (ALS) och Huntingtons sjukdom studeras också.

Framtida studier bör vara långsiktiga, inkludera yngre populationer och överväga mindre studerade föroreningar och exponeringsvägar som kost eller interaktioner mellan tarm och hjärna. Kombinationen av omics-teknologier och artificiell intelligens kan hjälpa till att identifiera biomarkörer och leda till utvecklingen av förebyggande terapier. Förbättrat yrkes- och miljöskydd, särskilt för högriskgrupper, är också avgörande för att minska risken för ND. Att ta itu med regulatoriska implikationer kräver validering av epigenetiska verktyg för klinisk användning.

Källor: