脳は私たちの最も忙しい臓器であり、他の複雑な製造現場と同様に、大量の廃棄物を生み出します。通常、これは問題ではありません。タンパク質、ガス、細胞廃棄物などの代謝副産物は、複雑な廃棄物処理ネットワークを通じて除去されます。しかし、この排水システムが衰えて老廃物が蓄積すると、アルツハイマー病などの神経疾患のリスクが大幅に高まります。
脳が有毒な老廃物をどのように正確に除去するのかをより正確に理解し、変性疾患を予防する方法を明らかにする可能性があるため、サンフランシスコのグラッドストン神経疾患研究所の研究者らは、これまでの造影剤でよく行われていたように、繊細なプロセス自体を中断することなく、前例のない詳細で脳の老廃物処理システムを明らかにする新しいトレーサーを開発した。
研究リーダーのアンドリュー・ヤング氏はプレスリリースで、「脳がどのように自己浄化するかを研究する方法がついにできた」と述べた。 「そして私たちはそれを利用して、多くの予期せぬ生物学を発見しました。」
脳の老廃物処理システムを監視する
神経ネットワーク内の動きを研究するためのゴールドスタンダードには、脳と脊髄を取り囲む液体である脳脊髄液にトレーサーを注入することが含まれます。しかし、脳システムに余分な体積が導入されるため、余分な体液は正常な脳のプロセスを混乱させる可能性があり、多くの場合、神経疾患に関連する可能性のある経路を強調するのではなく、体液の流れの全体像しか得られません。
「これらの注射剤は、私たちが測定しようとしているシステムに干渉します」とヤング氏は語った。 「私たちはより良い方法を見つけたかったのです。」
研究者らは、排水システムを通る液体の動きを追跡する代わりに、廃棄物自体を追跡することにしました。これを行うために、彼らはマウスのニューロンを操作して、ZsGreenと呼ばれる蛍光タンパク質を容易に生成および分泌させた。研究チームは、タンパク質が硬膜（脳を取り囲む膜）や鼻腔、リンパ節を通って脳から出ていく様子を観察することができた。
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新しいトレーサーにより未知のデブリ経路が明らかに
科学者らは、この新しいシステムを使用して、脳の老廃物処理経路に沿った細胞が副産物とどのように相互作用するかを初めて観察した。また、従来のトレーサーでは発見されていなかった排水経路の地図も作成しました。
「頸部リンパ節にZsGreenがほとんど流入していないことに私たちは驚きました」とYang氏は説明した。 「代わりに、破片が硬膜、頭蓋骨、鼻腔を通って排出されます。」
研究者らはまた、排水経路が廃棄物の発生場所によって異なることも発見した。脳の高次領域からのタンパク質は上部の排水経路を通って排出されますが、より深い、より集中した領域からの老廃物は別の経路をたどります。
排水速度も変わりました。研究者らは、特定の領域の排水が遅くなることにより、免疫細胞が脳由来のタンパク質を認識できるようになり、健康な脳組織が誤って攻撃されるのを防ぐことができるのではないかと仮説を立てた。
病気や老化により老廃物処理が難しくなる
この新しい方法では、病気の際に排泄物がどのように変化するかも明らかになった。アルツハイマー病のマウスでは、蛍光トレーサーが効率的に除去されずに脳内に閉じ込められた。
研究著者のナリ・ラオ氏は声明で、「あたかも脳の各領域に、老廃物が正しい排水部位に確実に送られるようにする生物学的標的システムがあるようなものだ」と述べた。 「老化や病気により、これらの焦点が破壊され、破片が間違った場所に向かう可能性があると考えられます。これにより、脳の特定の領域がアルツハイマー病などの病気に対してより脆弱になる理由が説明される可能性があります。」
現在、研究者らは脳の排出ダイナミクスをより明確に理解しているため、老化と病気がどのようにシステムを混乱させるかを研究したいと考えています。彼らはまた、特定の排液経路をターゲットとした治療法を開発し、質の高い睡眠などの健康的な習慣が老廃物の除去をどのようにサポートするかを調査することも目指しています。
「これらの新しい方法を使用すると、脳の老廃物除去の生物学に関する長年の疑問に取り組み始めることができます」とヤング氏は述べた。
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