DOI: https://doi.org/10.1186/s40035-023-00388-4
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38173017
تاريخ النشر: 2024-01-03
المؤلف: Min Zhang وآخرون
الموضوع الرئيسي: آليات وأدوية الأمراض العصبية
نظرة عامة
تبحث الدراسة في دور عامل نمو بطانة الأوعية الدموية (VEGF) في المراحل المبكرة من مرض الزهايمر (AD) وعلم الأمراض، مع التركيز بشكل خاص على خلل الأوعية الدموية كعامل حاسم. باستخدام نموذج الفئران 5×FAD، استخدمت الدراسة الأجسام المضادة أحادية النسيلة المضادة لـ VEGF، بيفاسيزوماب، لتثبيط ارتباط مستقبلات VEGF في سن مبكرة. تم تقييم آثار هذا العلاج من خلال طرق متنوعة، بما في ذلك اختبارات أداء الذاكرة، وتقييم نفاذية الأوعية الدموية الدماغية، وتنشيط الدبق، وتحليل تعبير مستقبلات VEGF.
أشارت النتائج إلى أن علاج بيفاسيزوماب عزز بشكل كبير وظيفة الأوعية الدموية الدماغية، وقلل من تنشيط الدبق، وحسن الذاكرة طويلة المدى في فئران 5×FAD. ومن الجدير بالذكر أنه تم ملاحظة اختلافات خاصة بالجنس في تعبير مستقبلات VEGF، حيث انخفضت مستويات VEGFR1 القابلة للذوبان في الإناث وزادت مستويات VEGFR2 كاملة الطول في الذكور، وكلاهما تم تطبيعه بواسطة العلاج. بالإضافة إلى ذلك، كشفت تسلسل RNA عن تغييرات نسخية مرتبطة بسلامة الأوعية ووظيفتها. تستنتج الدراسة أن التدخل المبكر لـ VEGF عبر بيفاسيزوماب قد يقدم استراتيجية علاجية واعدة لمعالجة علم الأمراض الوعائية في مراحل الزهايمر المبكرة، على الرغم من أن استخدام محلول ملحي كعلاج تحكم يطرح قيودًا بشأن خصوصية التأثيرات الملاحظة.
مقدمة
مرض الزهايمر (AD) هو اضطراب تنكسي عصبي تدريجي يؤثر بشكل أساسي على كبار السن، ويتميز بفقدان الذاكرة، وصعوبات في اللغة، وضعف إدراكي. من الناحية المرضية، يتميز AD بترسب الأميلويد بيتا (Aβ)، والتشابكات العصبية، وخلل الأوعية الدموية، مما يساهم بشكل كبير في تقدمه. ومن الجدير بالذكر أن المرضى الذين يعانون من حالات مرتبطة بالأوعية الدموية يظهرون زيادة في خطر الإصابة بـ AD، وقد تم تحديد انخفاض تدفق الدم الدماغي (CBF) ونفاذية الحاجز الدموي الدماغي (BBB) كعلامات حيوية محتملة للمرض. وقد سلطت الدراسات الحديثة الضوء على دور عامل نمو بطانة الأوعية الدموية (VEGF) في AD، مشيرة إلى مشاركته في فسيولوجيا الأوعية الدموية وارتفاع مستوياته في مرضى AD، مما قد يرتبط بتسرب الأوعية الدقيقة وضعف تدفق الدم.
تبحث هذه الدراسة في آثار معاداة VEGF على علم الأمراض الوعائية والوظيفة الإدراكية في فئران 5×FAD، وهو نموذج للزهايمر العائلي. تستخدم الدراسة بيفاسيزوماب، وهو جسم مضاد أحادي النسيلة يستهدف VEGF، لتقييم تأثيره على وظائف الأوعية الدموية الدماغية، وعلم الأمراض الدماغية، والذاكرة طويلة المدى في كل من الفئران الذكور والإناث. تشير النتائج الأولية إلى أن VEGF يلعب دورًا آليًا في علم الأمراض المبكر للزهايمر، مما يشير إلى أن استهداف VEGF قد يقدم إمكانات علاجية للتدخل المبكر في AD. تهدف الدراسة أيضًا إلى توضيح التغييرات النسخية المرتبطة بعلاج بيفاسيزوماب، مما يساهم بشكل أكبر في فهم دور VEGF في تقدم AD.
طرق البحث
في هذه الدراسة، تم حقن الفئران التي تبلغ من العمر أربعة أشهر بحقن داخل الصفاق من بيفاسيزوماب بجرعة 10 ملغ/كغ من وزن الجسم أو علاج تحكم من محلول ملحي 0.9%، تم إعطاؤه كل أسبوعين على مدى شهر واحد. بعد الانتهاء من العلاج، تم إجراء سلسلة من الاختبارات السلوكية، وتصوير الفوتون الثنائي، وتحليلات وظيفة الأوعية الدموية الدماغية لتقييم آثار بيفاسيزوماب. قبل التقييمات السلوكية، خضعت جميع الفئران لفترة تعامل لمدة خمسة أيام تهدف إلى تقليل مستويات القلق، مما يضمن نتائج اختبار أكثر موثوقية.
النتائج
في هذا القسم، يوضح المؤلفون المنهجية والنتائج لتحليلات تسلسل RNA التي أجريت على الحصيني RNA المستخرج من نماذج الفئران المختلفة، بما في ذلك الفئران البرية المعالجة بالمركبات والفئران 5×FAD، بالإضافة إلى الفئران 5×FAD المعالجة ببيفاسيزوماب. تم إجراء تسلسل RNA على مجموعات بيولوجية تتكون من 2-3 حيوانات لكل عينة، وتمت معالجة بيانات التسلسل الخام لإزالة تسلسلات rRNA وتمت خريطتها لاحقًا إلى الجينوم المرجعي للفأر. استخدمت التحليل عدة أدوات معلوماتية حيوية، بما في ذلك Trimmomatic لتنظيف القراءة، وBowtie2 لإزالة rRNA، وHisat2 لرسم الخرائط الجينومية. تم إجراء تحليل التعبير الجيني التفاضلي باستخدام EdgeR، مع تحديد الجينات المعبر عنها بشكل مختلف (DEGs) عند مستوى دلالة P < 0.05 بعد تصحيح بنجاميني-هوشبرغ. شملت النتائج إنشاء مخططات بركانية، ومخططات فين، وخرائط حرارية لتصور DEGs. علاوة على ذلك، قارن المؤلفون DEGs الخاصة بهم مع قاعدة بيانات منشورة سابقًا لتعبير mRNA النوعي للخلايا لتحديد النسخ الغنية بنوع الخلية. تم حساب درجات الثراء لأنواع الخلايا المختلفة، مع اعتبار النسخ التي تظهر درجات أكبر من 1.5 غنية بنوع الخلية. يوفر هذا التحليل الشامل رؤى حول أنماط التعبير الجيني التفاضلي المرتبطة بظروف العلاج ويسلط الضوء على نسخ معينة قد تكون ذات صلة بوظائف الخلايا العصبية والدبقية والوعائية في سياق نماذج الفئران المدروسة.
المناقشة
في هذه الدراسة، تم التحقيق في آثار بيفاسيزوماب، وهو مثبط لـ VEGF، في فئران 5×FAD، وهو نموذج لمرض الزهايمر (AD)، مع التركيز على الأداء الإدراكي، وسلامة الأوعية الدموية الدماغية، وترسب الأميلويد بيتا (Aβ). شملت الأبحاث 176 فأرًا (98 إناث و78 ذكور)، مع إجراء تقييمات سلوكية بعد شهر واحد من العلاج. أظهرت النتائج أن إدارة بيفاسيزوماب حسنت بشكل كبير الذاكرة طويلة المدى في كلا الجنسين من فئران 5×FAD، كما يتضح من الأداء المحسن في مهمة التعرف على الكائن الجديد. بالإضافة إلى ذلك، أظهر العلاج تأثيرًا مهدئًا للقلق بشكل خاص في الفئران الإناث، مما يشير إلى استجابة محتملة خاصة بالجنس لتثبيط VEGF.
كشفت الدراسة أيضًا أن علاج بيفاسيزوماب قلل من التصاق العدلات بالأوعية الشعرية، مما خفف من توقف الأوعية الشعرية وعزز سلامة الحاجز الدموي الدماغي (BBB). تم تأكيد ذلك من خلال انخفاض تسرب صبغة إيفانز الزرقاء في أدمغة الفئران المعالجة. علاوة على ذلك، أعاد العلاج الاستجابة الوعائية الدماغية للنورإبينفرين، مما يشير إلى تحسين ديناميات تدفق الدم الدماغي. بينما لوحظ انخفاض طفيف في ترسب Aβ في القشرة الحسية الأولية، إلا أن العلاج قلل بشكل ملحوظ من علامات تنشيط الدبق (GFAP وIBA1) في كلا الجنسين، مما يشير إلى انخفاض في الالتهاب العصبي. تؤكد هذه النتائج الإمكانات العلاجية لاستهداف VEGF في علم الأمراض المبكر للزهايمر، مما يبرز دوره في الوظيفة الإدراكية وصحة الأوعية الدموية الدماغية.
DOI: https://doi.org/10.1186/s40035-023-00388-4
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38173017
Publication Date: 2024-01-03
Author(s): Min Zhang et al.
Primary Topic: Neurological Disease Mechanisms and Treatments
Overview
The research investigates the role of vascular endothelial growth factor (VEGF) in the early stages of Alzheimer’s disease (AD) pathophysiology, particularly focusing on vascular dysfunction as a critical factor. Utilizing the 5×FAD mouse model, the study employed the anti-VEGF monoclonal antibody bevacizumab to inhibit VEGF receptor binding at an early age. The effects of this treatment were assessed through various methods, including memory performance tests, evaluation of cerebrovascular permeability, glial activation, and analysis of VEGF receptor expression.
Results indicated that bevacizumab treatment significantly enhanced cerebrovascular function, reduced glial activation, and improved long-term memory in 5×FAD mice. Notably, sex-specific differences in VEGF receptor expression were observed, with soluble VEGFR1 levels decreasing in females and full-length VEGFR2 levels increasing in males, both of which were normalized by treatment. Additionally, RNA sequencing revealed transcriptional changes associated with vascular integrity and function. The study concludes that early VEGF intervention via bevacizumab may offer a promising therapeutic strategy for addressing vascular pathology in early-stage AD, although the use of saline as a control poses limitations regarding the specificity of the observed effects.
Introduction
Alzheimer’s disease (AD) is a progressive neurodegenerative disorder primarily affecting older adults, characterized by memory loss, language difficulties, and cognitive impairments. Pathologically, AD is marked by amyloid beta (Aβ) deposition, neurofibrillary tangles, and vascular dysfunction, which significantly contribute to its progression. Notably, patients with vascular-related conditions exhibit an increased risk for AD, and reductions in cerebral blood flow (CBF) and blood-brain barrier (BBB) permeability have been identified as potential biomarkers for the disease. Recent studies have highlighted the role of vascular endothelial growth factor (VEGF) in AD, noting its involvement in blood vessel physiology and its elevated levels in AD patients, which may correlate with microvascular leakage and impaired blood flow.
This research investigates the effects of VEGF antagonism on vascular pathology and cognitive function in 5×FAD mice, a model of familial AD. The study employs bevacizumab, a monoclonal antibody targeting VEGF, to assess its impact on cerebrovascular functions, brain pathology, and long-term memory in both male and female mice. Preliminary findings indicate that VEGF plays a mechanistic role in early AD pathology, suggesting that targeting VEGF may offer therapeutic potential for early intervention in AD. The study also aims to elucidate the transcriptomic changes associated with bevacizumab treatment, further contributing to the understanding of VEGF’s role in AD progression.
Methods
In this study, four-month-old mice were subjected to intraperitoneal injections of bevacizumab at a dosage of 10 mg/kg body weight or a control treatment of 0.9% saline, administered biweekly over a period of one month. Following the completion of the treatment, a series of behavioral tests, two-photon imaging, and analyses of cerebral vascular function were conducted to assess the effects of bevacizumab. Prior to the behavioral assessments, all mice underwent a five-day handling period aimed at minimizing anxiety levels, thereby ensuring more reliable test outcomes.
Results
In this section, the authors detail the methodology and results of RNA sequencing analyses conducted on hippocampal RNA extracted from various mouse models, including vehicle-treated wild-type and 5×FAD mice, as well as bevacizumab-treated 5×FAD mice. RNA-seq was performed on biological pools comprising 2-3 animals per sample, with raw sequencing data processed to remove rRNA sequences and subsequently mapped to the mouse reference genome. The analysis utilized several bioinformatics tools, including Trimmomatic for read cleaning, Bowtie2 for rRNA removal, and Hisat2 for genome mapping. Differential gene expression analysis was conducted using EdgeR, identifying differentially expressed genes (DEGs) at a significance level of P < 0.05 after Benjamini-Hochberg correction. The results included the generation of volcano plots, Venn diagrams, and heatmaps to visualize the DEGs. Furthermore, the authors compared their DEGs to a previously published database of cell type-specific mRNA expression to identify cell type-enriched transcripts. Enrichment scores were calculated for various cell types, with transcripts exhibiting scores greater than 1.5 deemed cell type enriched. This comprehensive analysis provides insights into the differential gene expression patterns associated with the treatment conditions and highlights specific transcripts that may be relevant to neuronal, glial, and vascular cell functions in the context of the studied mouse models.
Discussion
In this study, the effects of bevacizumab, a VEGF inhibitor, were investigated in 5×FAD mice, a model for Alzheimer’s disease (AD), focusing on cognitive performance, cerebrovascular integrity, and amyloid-beta (Aβ) deposition. The research involved 176 mice (98 females and 78 males), with behavioral assessments conducted after one month of treatment. Results demonstrated that bevacizumab administration significantly improved long-term memory in both sexes of 5×FAD mice, as evidenced by enhanced performance in the novel object recognition task. Additionally, the treatment exhibited an anxiolytic effect specifically in female mice, indicating a potential sex-specific response to VEGF inhibition.
The study further revealed that bevacizumab treatment reduced neutrophil adhesion to capillaries, thereby alleviating capillary stalling and enhancing blood-brain barrier (BBB) integrity. This was corroborated by decreased Evans blue dye leakage in the brains of treated mice. Moreover, the treatment restored the cerebrovascular response to norepinephrine, suggesting improved cerebral blood flow dynamics. While a mild reduction in Aβ deposition was observed in the primary sensory cortex, the treatment notably decreased glial activation markers (GFAP and IBA1) in both sexes, indicating a reduction in neuroinflammation. These findings underscore the therapeutic potential of targeting VEGF in early AD pathology, highlighting its role in cognitive function and cerebrovascular health.