Investigating genetic, microbial-viral, and other environmental factors in neuroinflammatory and neurodegenerative diseases of CNS through ‘-omics’ or ‘meta-research’ approaches

Abstract

Neurological disorders represent a major component of the global disease burden. Nonetheless, in contrast to cancer and heart disorders, two broad disease categories which have been extensively studied in the last three decades, neurological disorders have been understudied. As a result, their underlying causes, and the potential contribution of genetic and non-genetic (also described as environmental) factors remain underexplored. To address this hovering research gap, and in light of an increasing body of studies in the field, I aimed to study the contribution of several genetic and non-genetic risk factors in neurodegenerative and neuroinflammatory disorders, harnessing Alzheimer’s & Parkinson’s diseases, and Multiple Sclerosis as exemplars, respectively. By applying both -omics and meta-research (i.e., secondary research) approaches, my analyses suggest that: a) the approach of meta-umbrella systematic review can provide valuable insights into non-genetic protective and risk factors, and represents a third-generation meta-research approach, preceded by umbrella and systematic reviews; b) APOE4/APOE4 (the chief genetic risk factor of Alzheimer’s disease) may be implicated in regulating the recently discovered meningeal lymphatic vessels by causing lymphosclerosis, the lymphatic equivalent of atherosclerosis, and in turn, meningeal and brain lymphedema, thus collectively impeding the flux of CSF toxic metabolites from the brain to the cervix and potentially leading to accumulation of amyloid-beta and tau in the brain; c) On the single-microbe level, the gut microbe Helicobacter pylori may be associated with increased risk for Parkinson’s disease, whose clinical scores such as the Unified Parkinson's Disease Rating Scale (UPDRS) may be reduced following Helicobacter pylori’s eradication; and, d) On the microbiome level, the CSF may not be devoid of the presence of viruses, for which our advanced bioinformatic analysis indicated separate clustering of CSF virome in Multiple Sclerosis patients versus controls. In parallel to the above data-intensive approaches, and to justify the historic(al) roots of a Ph.D. thesis as Doctor Philosophicus, I also present a critical analysis of the so-called ELSI (Ethical, Legal, and Societal Implications) of Neurological Research. In doing so, I argue that: a) the research niches of countries with limited resources for research (yet often classified as wealthy) can be regarded as hidden pearls that can boost local research pipelines in times of austerity, and to this end, I provide specific examples from patient population and biotechnological resources in Greece; b) the post-CRISPR/Cas9 genome editing era represents a tremendous opportunity as potential therapeutic armamentarium even for complex disorders with neurological manifestations, such as Down’s syndrome (Trisomy 21); however, rigorous bioethics regulations should be set prior to clinical trials, especially if the latter are applied during the embryological stage of patients with Down’s syndrome; and c) stronger public advocacy is needed for syndromes with neuropsychiatric manifestations, such as the Imposter syndrome, whose high prevalence and psychological burden has had a huge impact in societally underrepresented groups. Collectively, my Ph.D. thesis aims to shed some light into the causality of certain neurological disorders, anticipating that the results and conclusions presented here will open an avenue to future research questions.

Οι νευρολογικές διαταραχές αντιπροσωπεύουν ένα σημαντικό ποσοστό του παγκόσμιου φορτίου ασθενειών. Ωστόσο, σε αντίθεση με τον καρκίνο και τις καρδιακές διαταραχές, δύο ευρείες κατηγορίες ασθενειών που έχουν μελετηθεί εκτενώς τις τελευταίες τρεις δεκαετίες, οι νευρολογικές και νευροψυχιατρικές διαταραχές έχουν υπομελετηθεί. Ως αποτέλεσμα, οι υποκείμενες αιτίες των νευρολογικών και νευροψυχιατρικών διαταραχών και η πιθανή συμβολή γενετικών και μη-γενετικών παραγόντων (περιγράφονται επίσης ως περιβαλλοντικοί παράγοντες) παραμένουν, σε μεγάλο βαθμό, ανεξερεύνητες. Για την αντιμετώπιση αυτού του αιωρούμενου ερευνητικού «κενού» και υπό το φως ενός αυξανόμενου αριθμού μελετών στον τομέα, ο στόχος της παρούσας διατριβής ήταν να μελετηθεί η συμβολή πολλών γενετικών και μη-γενετικών παραγόντων κινδύνου σε νευροεκφυλιστικές, νευροψυχιατρικές, και νευροεφλεγμονώδεις διαταραχές, χρησιμοποιώντας τις νόσους του Alzheimer & Parkinson και τη Σκλήρυνση κατά Πλάκας ως πρότυπα παραδείγματα των ασθενειών αυτών. Εφαρμόζοντας προσεγγίσεις τόσο της «-ομικής» όσο και της «μετα-έρευνας», η παρούσα διατριβή υπογραμμίζει ότι: α) η προσέγγιση τύπου «meta-umbrella συστηματική ανασκόπηση», που εισάγεται για πρώτη φορά στη βιβλιογραφία, μπορεί να παράσχει πολύτιμες πληροφορίες για τους μη-γενετικούς παράγοντες κινδύνου αλλά και προστατευτικούς παράγοντες. β) Το APOE4 γονίδιο / APOE4 πρωτεΐνη (ο κύριος παράγοντας γενετικού κινδύνου της νόσου του Αλτσχάιμερ) μπορεί να εμπλέκεται στη ρύθμιση των πρόσφατα ανακαλυφθέντων μηνιγγικών λεμφικών αγγείων προκαλώντας «λεμφοσκλήρωση», νοούμενη ως το λεμφικό ισοδύναμο της αθηροσκλήρωσης και, με τη σειρά της, μηνιγγικό και εγκεφαλικό λεμφοίδημα, εμποδίζοντας έτσι την παροχέτευση των τοξικών μεταβολιτών του εγκεφαλονωτιαίου υγρού (ΕΝΥ) από τον εγκέφαλο στον τράχηλο, και πιθανώς οδηγώντας σε συσσώρευση αμυλοειδούς βήτα και tau στον εγκέφαλο. γ) Σε επίπεδο μονήρους μικροβίου, το μικρόβιο του στομάχου Helicobacter pylori μπορεί να σχετίζεται με αυξημένο κίνδυνο για τη νόσο του Parkinson, του οποίου οι κλινικές βαθμολογίες όπως το Unified Parkinson Disease Rating Scale (UPDRS) μπορεί να μειωθούν μετά την εκρίζωση του Helicobacter pylori. δ) Σε επίπεδο πολλαπλών μικροβίων, το ΕΝΥ μπορεί να μην στερείται της παρουσίας ιών, για τους οποίους η προηγμένη βιοπληροφορική ανάλυσή μας έδειξε ξεχωριστή συσσώρευση ιών στο ΕΝΥ ασθενών με Σκλήρυνση κατά Πλάκας έναντι των υγιών μαρτύρων. Παράλληλα στην παρούσα διατριβή παρουσιάζεται μία κριτική ανάλυση των λεγόμενων ELSI (Ethical, Legal and Societal Implications) της έρευνας πάνω στη νευρολογία, εστιάζοντας α) στις χώρες με περιορισμένους πόρους για έρευνα και το πώς μπορεί να ενισχύσουν τους τοπικούς ερευνητικούς φορείς σε περιόδους λιτότητας, παρέχοντας συγκεκριμένα παραδείγματα από την Ελλάδα, β) στην τροποποίηση του γονιδιώματος μέσω του «μοριακού ψαλιδιού» CRISPR / Cas9 ως πιθανό θεραπευτικό οπλισμό για σύνθετες διαταραχές με νευρολογικές εκδηλώσεις, όπως το σύνδρομο Down (Trisomy 21) αλλά και την ανάγκη τήρησης αυστηρών κανόνων βιοηθικής, γ) στο «σύνδρομο του απατεώνα» του οποίου η ψυχολογική επιβάρυνση έχει τεράστιο αντίκτυπο σε κοινωνικά ευάλωτες ομάδες. Συνολικά, η παρούσα διατριβή στοχεύει να διερευνήσει την αιτιοπαθογένεια πρότυπων νευρολογικών και νευροψυχιατρικών διαταραχών, ευελπιστώντας ότι τα αποτελέσματα και τα συμπεράσματα που παρουσιάζονται εδώ θα ανοίξουν έναν δρόμο για μελλοντικά ερευνητικά ερωτήματα.