O autismo começa no útero? Avanço da pesquisa pode levar a novas estratégias de tratamento

Figura 2. a: Grupos celulares da análise unicelular dos sacos vitelínicos. b: Mapa de calor dos 10 principais genes enriquecidos nos cinco grupos de células em a. c: Interação proteína-proteína de PU.1, um fator de transcrição importante para o desenvolvimento microglial. Análise de enriquecimento de genes baseada em rede. Crédito: Figura derivada do artigo publicado em Molecular Psychiatry (2022) (DOI：10.1038/s41380-022-01566-y)

Antecedentes da Pesquisa

O autismo (transtorno do espectro autista) é um distúrbio neurológico do desenvolvimento que permanece em grande parte inexplorado, apesar do número crescente de pacientes. Anormalidades imunológicas, agora consideradas a causa de muitas doenças, também desempenham um papel importante no desenvolvimento do autismo. Inflamação cerebral e distúrbios do sistema imunológico periférico são frequentemente observados em pacientes autistas. Além disso, anormalidades imunológicas são acompanhadas por anormalidades na microbiota intestinal, que também se acredita estar envolvida na patogênese da doença através do eixo cérebro-intestino.^[11]. No entanto, os mecanismos essenciais por trás dessas anormalidades imunológicas ainda não foram elucidados.

Dados os estágios críticos de desenvolvimento dos insultos imunológicos e o extenso envolvimento do sistema imunológico no desenvolvimento do autismo, a equipe de pesquisa levantou a hipótese de que uma etiologia comum está subjacente à desregulação imunológica generalizada e se origina em diferentes tipos de células progenitoras. A análise concentrou-se nas células hematopoiéticas das quais as células imunes são derivadas, bem como no saco vitelino (YS) e na aorta-gônada-mesonefros (AGM), que estão envolvidos na hematopoiese durante a fase fetal. Esses resultados buscam um ancestral comum da inflamação no cérebro e anormalidades no sistema imunológico periférico. Neste estudo, camundongos BTBR foram usados ​​como modelo idiopático para o autismo.

Figura 3. a: Inibidores, butirato de sódio (SB) ou Romidepsin (Rd) administrados aos 8,5 e 10,5 dias embrionários, início da hematopoiese primária no saco vitelino e AGM, respectivamente, foram comparados ao grupo controle salina(s). b: Em BTBR as citocinas inflamatórias cerebrais (Il6, Ccl2, Il1b, Ifnb) foram suprimidas. c: Marcadores de microglia ativada (Cd68, Fcgr1) foram suprimidos. Crédito: Figura derivada do artigo publicado em Molecular Psychiatry (2022) (DOI：10.1038/s41380-022-01566-y)

Resultados da pesquisa

O sequenciamento de RNA de célula única (sc-RNA seq) de camundongos BTBR rastreou a origem das anormalidades imunológicas de volta aos estágios embrionários do saco vitelino (YS) e aorta-gonad-mesonephros (AGM) e identificou onde os macrófagos (micróglia) e periféricos células imunes se diferenciam. Hematopoiese definitiva^[12] na análise em nível de célula única YS e AGM identificaram com sucesso mecanismos patológicos em nível molecular dentro de células progenitoras raras nos estágios iniciais de desenvolvimento. Nomeadamente, encontrámos um mecanismo comum de regulação transcricional através de HDAC1, uma histona desacetilase, subjacente a estas patologias (Figuras 1 e 2).

Também mostramos que a manipulação de mecanismos epigenéticos durante estágios específicos de desenvolvimento pode restaurar anormalidades imunológicas no cérebro e nos tecidos periféricos. Ou seja, identificamos a histona desacetilase HDAC1 como um mecanismo comum. A administração de inibidores desta histona (butirato de sódio ou romidepsina) durante o estágio fetal em camundongos BTBR suprimiu as citocinas inflamatórias elevadas^[13] e ativação microglial (Figura 3).

Figura 4. A repressão transcricional pela promoção da histona deacetilase 1 (HDAC1) afeta o processo das células endoteliais vasculares para a produção de células-tronco hematopoiéticas (EHT). As células progenitoras eritroides/mieloides (EMP) no saco vitelino (saco vitelino) ativam a microglia e afetam a inflamação no cérebro; pré-HSC em AGM diferenciam-se na medula óssea (MO); e o sistema imunológico alterado afeta a microbiota intestinal. Crédito: Figura derivada do artigo publicado em Molecular Psychiatry (2022) (DOI：10.1038/s41380-022-01566-y)

Demonstramos ainda que a imunidade desregulada pode determinar a disbiose intestinal de perfis específicos em camundongos modelo autistas, o que torna os potenciais biomarcadores de Treg e disbiose intestinal um meio de categorizar o subtipo de TEA imuno-desregulado.

Do exposto, fica claro que as anormalidades no cérebro e nos órgãos periféricos (como os intestinos) observadas no autismo são causadas por anormalidades epigenéticas na linhagem de células-tronco hematopoiéticas, o ancestral das células imunes (Figura 4).

Perspectivas

Nossas descobertas não apenas fornecem a peça que faltava para resolver o quebra-cabeça de longa data da desregulação imunológica sistêmica no autismo, mas também sugerem o papel do distúrbio epigenético como uma etiologia comum entre diferentes modelos de autismo de fatores de risco ambientais. Além disso, para desenvolver a medicina de precisão para o TEA no futuro, a subtipagem do TEA de acordo com o mecanismo de patogênese é um primeiro passo fundamental para resolver a heterogeneidade do TEA e abrir um novo caminho para o tratamento do TEA.

Glossário

1. Autismo idiopático: O autismo é considerado um transtorno multifatorial que pode ser causado por fatores genéticos e ambientais. Entende-se que fatores genéticos como anormalidades genéticas e genômicas podem causar autismo, porém ainda existem muitos casos de autismo onde a causa é desconhecida. O autismo em que a causa não pode ser especificada (incluindo fatores ambientais) é chamado de autismo idiopático.
2. Epigenética: O estudo dos padrões de herança que afetam o funcionamento dos genes, mas não envolvem alterações no[{” attribute=””>DNA sequence. Even though the information in the genome remains the same, biological mechanisms such as DNA methylation and chemical modification of histone proteins can alter genetic expression.
3. Neurodevelopmental disorder: Previously called developmental disorders, this is a disorder that occurs in relation to a functional problem with the brain.
4. BTBR mouse: A type of congenic mouse. From analysis of the systemic behavior of this line of mice, it has been reported that BTBR mouse behavior is the closest to autistic behavior. Therefore, it is known as the idiopathic autism mouse model.
5. HDAC1:Histone deacetylase 1 regulates gene expression by modifying histone proteins.
6. Single-cell RNA-seq: A method of comprehensively investigating the qualitative and quantitative aspects of all mRNA present in individual cells using a next generation sequencer. By combining this with statistical analysis methods such as dimension reduction, it is possible to classify cells based on their genetic expression, and estimate the cell state. Furthermore, performing pseudo-temporal ordering analysis based on changes in the gene expression profile allows for the depiction of the fibers in the cellular state that accompanies development.
7. AGM: The Aorta-gonad-mesonephros (AGM) region is a hematopoietic site within the fetus (i.e. where cellular components of the fetus’s blood are formed).
8. Yolk sac: During pregnancy the sac, which is a membrane that surrounds the egg yolk, is also a hematopoietic site (primary hematopoiesis).
9. Microglia: A type of glial cell in the central nervous system responsible for the central immune system. Microglia are also called the resident macrophages of the central nervous system. Unlike other glial cells (such as astrocytes and oligodendrocytes), microglia originate from yolk sac-derived precursor cells.
10. Intestinal microbiota: clusters of bacteria in the gut that are also called intestinal flora. Recent research advancements using a next-generation sequencer to analyze the metagenome of gut bacteria have shown links to various disorders including autism.
11. Brain-gut axis: The relationship between the brain and the gut, also called the brain-gut connection. Two-way communication occurs between the brain and gut through mediums such as the autonomic nervous system and humoral factors (e.g. hormones and cytokines). Recently, this two-way communication system between the gut microbiome (microbiota) and the brain has received much attention.
12. Definitive hematopoiesis: During the fetal period, hematopoiesis begins in the yolk sac with primary hematopoiesis and then secondary hematopoiesis occurs in the AGM region. Subsequent hematopoiesis during the fetal period occurs in the liver and lastly in the bone marrow. Hematopoiesis continues throughout a person’s life with bone marrow as the main site of this process.
13. Inflammatory cytokine: A signaling molecule secreted by the immune cells, it causes inflammation.

Reference: “A common epigenetic mechanism across different cellular origins underlies systemic immune dysregulation in an idiopathic autism mouse model” by Chia-Wen Lin, Dian E. Septyaningtrias, Hsu-Wen Chao, Mikiko Konda, Koji Atarashi, Kozue Takeshita, Kota Tamada, Jun Nomura, Yohei Sasagawa, Kaori Tanaka, Itoshi Nikaido, Kenya Honda, Thomas J. McHugh and Toru Takumi, 2 May 2022, Molecular Psychiatry.
DOI: 10.1038/s41380-022-01566-y

Acknowledgments

This research received funding from sources including those listed below:

• The following grants from the Japan Society for the Promotion of Science (JSPS): Grant-in-Aid for Scientific Research (S).
• Japan Agency for Medical Research and Development’s Strategic Research Program for Brain Sciences
• Research grant from the Takeda Science Foundation.