研究发现解决阿尔茨海默病血脑屏障损伤的通路

原创 David Orenstein 阿尔茨海默病

在阿尔茨海默病中，沿大脑血管系统沉积的淀粉样蛋白会导致一种称为脑淀粉样血管病（CAA）的疾病，从而损害血脑屏障（BBB）功能并加速认知退化。载脂蛋白（APOE4）是CAA的最强危险因素，但这种遗传易感性的潜在机制尚不清楚。

通过开发一个实验室设计的人血脑屏障（BBB）模型，麻省理工学院（MIT）皮考尔学习与记忆研究所（Picower Institute for Learning and Memory）的神经科学家发现了最常见的阿尔茨海默病风险基因如何导致淀粉样蛋白斑块破坏大脑的血管系统，并表明他们可以使用已获批准用于人类的药物来预防这种损害。

大约25%的人有APOE基因的APOE4变体，这使得他们患阿尔茨海默病的风险大大增加。几乎所有患有阿尔茨海默病的人，甚至一些没有患阿尔茨海默病的老年人，都患有脑淀粉样血管病(CAA)，在这种情况下，血管壁上的淀粉样蛋白沉积削弱了血脑屏障适当运输营养物、清除废物以及防止病原体和有害物质侵入的能力。

在6月8日发表于《自然医学》（Nature Medicine）上的这项新研究中，研究人员指出了APOE4变体促进CAA病理的特定血管细胞类型（周细胞）和分子通路（钙调神经磷酸酶/ NFAT）。

研究于6月8日发表在《Nature Medicine》杂志上

这项研究表明，在有APOE4变异的人中，血管中的周细胞会分泌过多的APOE蛋白，皮考尔神经科学教授，皮考尔研究所所长蔡立慧（Li-Huei Tsai）解释说。APOE会导致淀粉样蛋白聚集在一起，淀粉样蛋白在阿尔茨海默病中含量更高。同时，患病的周细胞对钙调神经磷酸酶/ NFAT分子通路的激活增强似乎促进了APOE表达的升高。

蔡立慧教授

已经有药物可以抑制这种通路。目前它们被用来抑制移植后的免疫反应。当研究人员给实验室培养的带有APOE4变异的体外BBB注射一些药物，包括环孢菌素A（cyclosporine A）和FK506时，它们积累的淀粉样蛋白比未经治疗的要少得多。

“我们发现，在易患阿尔茨海默病的人群中，有一种特定的基因通路表达不同，”研究的主要作者Joel Blanchard说，他是蔡立慧实验室的博士后，“通过识别这一点，我们可以识别出将这一通路改变回非疾病状态的药物，并纠正这一与阿尔茨海默病相关的结果。”

构建血脑屏障（BBB）模型

为了研究阿尔茨海默病、APOE4变异体和CAA之间的联系，Blanchard、蔡立慧和合著者基于人类诱导多能干细胞成为组成血脑屏障（BBB）的三种细胞：脑内皮细胞、星形胶质细胞和周细胞。周细胞是由壁细胞模拟的，他们对其进行了广泛的测试，以确保它们表现出周细胞样的特性和基因表达。

在三维水凝胶支架中生长两周后，血脑屏障模型细胞血管生成，显示出血脑屏障的天然特性，包括对分子的低渗透性，以及与天然血脑屏障相同的关键基因、蛋白质和分子泵的表达。当浸入高淀粉样蛋白的培养液中，模拟阿尔茨海默病的大脑状态时，实验室培养的血脑屏障模型显示出与人类疾病相同的淀粉样蛋白积累。

在阿尔茨海默病中，血脑屏障会因淀粉样蛋白的积累而被破坏，尤其是携带一种叫做APOE4的基因变体的人。三维效果图显示淀粉样蛋白（绿色）的大量积累。

建立了BBB模型后，他们试图测试APOE4的不同之处。他们通过多种方法表明，携带APOE4的血脑屏障模型比携带APOE3的模型从培养基中积累了更多的淀粉样蛋白，ApoE 3是更典型和更健康的变体。

为了明确APOE4是如何造成这种差异的，他们设计了8个不同的版本，涵盖了APOE3或APOE4三种细胞类型的所有可能组合。当他们将这些一个月大的模型暴露在富含淀粉样蛋白的培养基中时，只有APOE4周细胞样壁细胞的版本显示出淀粉样蛋白的过度积累。用携带APOE3的细胞替代APOE4的壁细胞减少了淀粉样蛋白沉积。这些结果将CAA样病理完全归咎于周细胞。

为了进一步验证这些发现的临床意义，该团队还观察了人类大脑中前额叶皮层和海马体的血管系统样本中APOE的表达，这两个区域对阿尔茨海默病有重要影响。与团队实验室的血脑屏障模型一致，APOE4基因在血管系统，特别是周细胞中的表达高于APOE3基因。

麻省理工学院Aging Brain Initiative的创始成员蔡立慧说：“这是本文的重点。这真的很酷，因为它强调了APOE特定于细胞类型的功能。”

麻省理工学院（MIT）皮考尔学习与记忆研究所

通向治疗的道路？

下一步是确定APOE4是如何被周细胞过度表达的。因此，该团队鉴定了数百种转录因子——决定基因表达方式的蛋白质——它们在APOE3和APOE4周细胞样壁细胞之间受到不同的调节。然后，他们搜索了这个列表，看看哪些因素具体影响了APOE的表达。一组在APOE4细胞中上调的因子引人注目：它们是钙调神经磷酸酶/NFAT通路的一部分。他们观察到人类海马样本的周细胞中类似的通路上调。

作为研究该通路信号活性升高是否导致淀粉样蛋白沉积和CAA增加的一部分，他们测试了环孢菌素A（cyclosporine A）和FK506，因为它们抑制了该通路的活性。他们发现，这些药物降低了它们的周细胞样壁细胞中的APOE表达，从而降低了血脑屏障模型中APOE4介导的淀粉样沉积物。他们还在携带APOE4的小鼠中测试了这些药物，发现这些药物降低了APOE表达和淀粉样蛋白的积累。

Blanchard和蔡立慧指出，这些药物可能会有明显的副作用，因此他们的发现可能并不建议使用这些药物来解决患者的CAA。

Blanchard说：“相反，它指向了解这种机制的价值。它允许人们设计一个小分子筛查物，以发现具有较少脱靶作用的更有效的药物。”

参考文献

Source：Picower Institute for Learning and Memory

Study finds path for addressing Alzheimer’s blood-brain barrier impairment

Reference：

Blanchard, J.W., Bula, M., Davila-Velderrain, J. et al. Reconstruction of the human blood–brain barrier in vitro reveals a pathogenic mechanism of APOE4 in pericytes. Nat Med (2020). https://doi.org/10.1038/s41591-020-0886-4

阅读原文