Science:老年性痴呆的发生可能在淀粉样斑块沉积之前

波士顿儿童医院F.M.KirbyNeurobiologyCenter的研究人员揭示了在老年性痴呆早期突触丧失的机制,这个免疫过程会把功能较弱或是不必要的神经突触给去除掉,拿什么拯救我的大脑突触 一位生物学家的神经胶质研究之路

波士顿儿童医院F.M.KirbyNeurobiologyCenter的研究人员揭示了在老年性痴呆早期突触丧失的机制,证实这一过程起始并有可能终止于大脑中累积淀粉样斑块之前。这项发表在3月31日《科学》杂志上的研究,指出了一些在阿尔茨海默氏症早期保护认知功能的新治疗靶点。

在治疗阿尔茨海默氏症的药物中,超过99%的临床试验都失败了,导致许多人怀疑制药公司是不是搞错了治疗方向。现在,研究人员们使用小鼠来研究,发现了一个新的潜在治疗方向:一个发育过程出了差错,导致免疫细胞去吞噬神经细胞之间的连接部分。

拿什么拯救我的大脑突触 一位生物学家的神经胶质研究之路

在波士顿儿童医院F.M.Kirby神经生物学中心BethStevens博士和SoyonHong博士的领导下,研究人员在多个阿尔茨海默氏症小鼠模型中证实,与健康发育大脑中修剪多余突触相似的一些机制在生命后期错误地激活。通过阻断这些机制,他们能够减少小鼠的突触损失。

这是项完美的研究,它揭示了在疾病的早期阶段,体内发生了什么变化。弗吉尼亚大学医学院的神经科学家JonathanKipnis说。

我们的研究成果可能是一个作用更加广泛的机制而不是特定针对某种疾病。

目前,有5种药物获得批准用于治疗阿尔茨海默氏症,但这些药物只能暂时性地提高认知能力,不能解决阿尔茨海默氏症认知功能障碍的根源。许多在产品线上的新型药物力图清除大脑中的淀粉样斑块沉积物或减少炎症,但来自波士顿儿童医院的新研究表明,可以在发生这些病理变化之前更早地靶向阿尔茨海默氏症。

现在,大多治疗阿尔茨海默氏症的药物是为了去除患者体内淀粉样蛋白。在患者体内,它会在神经细胞周围形成粘稠的斑块。研究的领导者、波士顿儿童医院的BethStevens说,相比于正常人,这些患者的脑中有更多的斑块。但是,斑块越多并不意味着症状越严重,如有记忆丧失或是注意力不集中。

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研究的资深作者、波士顿儿童中心神经病学系副教授Stevens说:突触丧失与认知能力下降强相关。我们试图回到刚刚开始之时,看看突触丧失是如何起始的。

Stevens说,在阿尔茨海默氏症的患者中,至少是在携带了人类高阿尔茨海默氏症风险的基因的小鼠中,认知功能减退标志着神经突触,特别是大脑记忆部位神经突触的减少。在神经细胞之间的连接点,即突触中,神经递质会被释放,使大脑产生电活动。

Beth Stevens 图片来源:Ken Richardson

年轻的大脑透露老年的秘密

Stevens一直在研究一种免疫机理,这个免疫过程会把功能较弱或是不必要的神经突触给去除掉。在这个过程中,一种名为C1q的蛋白质会引起系列的化学反应,最终导致突触被破坏。在一个突触被标记后,被称为小胶质细胞的免疫细胞大脑的垃圾处理器就会知道要去吃掉它,Stevens说。若在人们大脑的发展过程中,无论是在子宫内或以后在童年和青少年时期,这个免疫过程出错了,就有可能导致精神疾病,如精神分裂症。

2010年,神经生物学家Beth
Stevens已经完成了从实验员到明星科学家的转变。时年40岁的她已经成为美国波士顿儿童医院项目负责人。她有一个整洁、崭新的实验室,并带领着一群热爱科研的博士后研究员。她的履历几乎毫无瑕疵,她的名字屡次出现在顶级杂志的论文作者中。

Stevens、Hong和同事们通过不同寻常的镜头:婴儿与儿童期的正常脑发育研究了阿尔茨海默氏症一种衰老疾病。通过多年的研究,Stevens实验室证实正常发育大脑通过一个过程修剪了当它们构建自己的回路时不需要的突触。

Stevens提出了一个假说,同样的免疫机制在阿尔茨海默病早期也会出错,导正常好的突触的破坏,最终导致认知障碍。她和她的团队使用两组患有阿尔茨海默氏症的小鼠每一个的体内都有过量淀粉样蛋白,随着它们年龄的增长,渐渐出现了记忆和学习能力障碍。研究人员发现,在它们的脑组织中,C1q的含量都有升高。当研究人员使用抗体阻断C1q导致的免疫反应后,神经突触就没有再减少了。他们把研究结果发表在《科学》上。

但与许多年轻科研人员一样,Stevens担心自己站在研究失败的刀锋上。与选择小规模、易管理的项目不同,她将注意力投放在了那些与大脑和免疫系统有关的雄心勃勃的假设上。这些假设有助于揭示正常大脑发育和疾病产生。

Stevens说:了解正常发育过程深入地为我们提供了一些新的见解:该如何来保护阿尔茨海默氏症及其他一系列疾病中的突触。Stevens指出,突触丧失还发生于额颞痴呆、亨廷顿氏病、精神分裂症、青光眼和其他疾病中。

对Stevens来说,这项结果表明,在大脑发育的时候,正常的去除突触的免疫反应在人们成年后却有反作用,导致阿尔兹海默氏症。这些小胶质细胞并没有完美地完成去除神经突触的任务,它们在不需要的时候也在破坏神经细胞。她说。

尽管Stevens在斯坦福大学做博士后研究员时收集的初步数据很有希望,但其蕴含的信息仍模糊不清。“我在想,‘如果我的模型只是一个模型,我会让这些人失望’。”她说。

在阿尔茨海默氏症小鼠模型中,该研究小组证实突触丧失需要激活一种叫做C1q的蛋白,C1q负责给清除的突触打上标记。大脑中的小神经胶质细胞随后会吃掉这些突触,这与正常大脑发育过程中发生的情况相似。在小鼠中,在可以观察到淀粉样蛋白斑沉积物之前,易受损伤的突触周围C1q变得更为丰富。

研究人员现在正在跟踪研究这些小鼠,看看药物阻断C1q的反应后,它们的认知能力下降速度是否减慢。要确定是否过高的淀粉样蛋白能使C1q系统失控,Stevens和同事也对正常的小鼠注射了药物,这种药物能够在小鼠的神经周围产生斑块,而由于基因不同,不会引起C1q免疫反应。虽然注射了这种药物的正常小鼠失去了许多突触,但是它们基本上没有受影响。此外,小胶质细胞只会攻击有淀粉样蛋白的神经突触,表明了淀粉样蛋白要和C1q一起作用才能破坏突触,它们其中一个并不会破坏神经突触。也有一些其它的诱因,如称为细胞因子的炎性分子,它会触发这个免疫反应。

无论如何,Stevens和在斯坦福的导师Ben
Barres一起,提出一种名为小神经胶质的脑细胞,在胚胎和稍后的发育期,能删除神经元连接,以响应免疫系统补体经典途径的信号。如果整个系统出现故障,就会导致小神经胶质删除过多或过少的连接点,这可能会导致发育和退行性疾病。

补体,小神经胶质细胞和-淀粉样蛋白

研究结果与早期的理论相反,早期理论认为,较多的小胶质细胞和激活的C1q仅仅是淀粉样斑块引起的炎症反应的一部分。相反,在斑块形成之前,小胶质细胞似乎就开始攻击突触了,Stevens说。她和几个合著者是Annexon生物科技公司的股东,这家公司不久就会开始在人身上测试ANX-005药物,它会在人体中阻断C1q免疫反应。

自那时起,他们不断获得新发现。仅今年,Stevens和合作者已经在《科学》和《自然》杂志发表文章,将补体系统和小神经胶质,与精神分裂、阿尔茨海默氏病及西尼罗病毒感染导致的认知问题等疾病联系在一起。Stevens表示,未来将研究亨丁顿舞蹈症。

与Brigham妇女医院的共同作者DennisSelkoe博士一起,研究人员还发现-淀粉样蛋白、C1q和小神经胶质细胞一起发挥作用,导致了阿尔茨海默氏症早期突触丧失。已知低聚物形式的淀粉样蛋白在形成斑块沉积物之前对突触有毒性作用,但该研究表明C1q是这一效应的必要条件。反之亦然:只有当存在低聚物淀粉样蛋白小神经胶质细胞才会吞食突触。

人们仍然在讨论,小胶质细胞在阿尔茨海默氏症中是否真的起了这么大的作用,蒙特利尔神经学研究所、加拿大医院的神经学家EdwardRuthazer说,但是这个免疫反应确实十分重要,在脑脊液中有过多的C1q会导致人们患上阿尔兹海默氏症。不过,他说,这项研究提供的证据不容置疑。

尽管正如一些科学家说的那样,此类研究可能不会有助于立刻产生疗法,但到2017年年初,将开展针对青光眼和其他神经退行性疾病的阻碍大脑补体系统的抗体的临床研究。

治疗潜力

Stevens有一头卷曲的金发和一双锐利的蓝眼睛。“她就像一杯浓缩咖啡。”Stevens曾在斯坦福的同事、北卡罗来纳州杜克大学神经学家Cagla
Eroglu说。在一块大白板前,Stevens在涂抹着一些数据,“时刻追踪她与14位博士后、研究生和技术员的研究动态”。

当Stevens和同事们阻断C1q、下游蛋白C3,或小神经胶质细胞上的C3受体时,不会发生突触丧失。

这时,Stevens实验室的一个研究组可能正在寻找补体系统的分子触发机制,另一组可能在观察小神经胶质,其他人可能在弄清为何某些突触更易被删除。加州大学旧金山分校神经生物学家Eric
Huang表示,Stevens提出的兵分多路的策略是明智的,既能确保实验室产出,“也能为该领域打开许多新方向”。

论文的第一作者Hong说:小神经胶质细胞和补体已知参与了阿尔茨海默氏症,但它们很大程度上被视作为是与斑块相关神经炎症有关联的继发事件。神经炎症是阿尔茨海默氏症进展阶段一个显著的特征。我们的研究挑战了这一观点,提供了证据证明在疾病过程的更早期有补体和小神经胶质细胞参与其中,此时突触易受损伤,有可能可以靶向它们来保护突触健康。

透过办公室的窗户,Stevens几乎能看到自己的故乡布罗克顿。她的父亲是一位中学校长,而母亲则是一名小学教师。“他们几乎所有的朋友都是老师。”她说,“我想我的父母仍希望知道这里发生了什么。”

Stevens和Hong利用一种叫做ANX-005的人类抗体阻断了C1q。ANX-005处于早期治疗开发阶段,并正进入临床。研究人员相信它有潜力在某一天用于各种神经退行性疾病中防止突触丧失。

直到高三,Stevens才开始对科学感兴趣。当时,她的大学预修生物课老师讲述了自己在临床微生物学实验室工作的故事。尽管Stevens曾计划当一名医生,但她意识到自己更喜欢研究。“我并不真喜欢与患者互动,而是更喜欢找到他们的问题在哪里。”

Hong说:这项研究强调了一件事:需要寻找突触丧失和功能障碍的生物标记物。和在癌症中一样,如果你在阿尔茨海默氏症后期治疗人们,有可能已经太晚了。

1993年,Stevens即将毕业,教授推荐她前往国立卫生研究院积累更多研究经验。她每周去NIH园区看招聘信息,“那时还没有在线招聘”。几个月过去了,她的简历石沉大海。

一天,习惯浏览被NIH拒绝简历的神经学家Douglas
Fields联系了Stevens,表示愿意为22岁的她提供一份技术员工作。于是,她进入了Fields在国家儿童健康和人类发展研究所的实验室。

Fields对大脑活动如何增加某些神经元基因的表达十分感兴趣,其中涉及一种编码黏着蛋白L1。该分子能帮助神经胶质细胞缠绕丝状的轴突。Stevens每天都花数小时泡在实验室里,试着在培养皿中模拟该过程。最终,她成功了。Fields将她的名字也加在了发表于《科学》杂志的论文作者名单中。对于技术员而言,这是少有的荣誉。

而且,神经胶质深深地吸引了Stevens。于是,她决定到马里兰大学攻读神经科学博士学位。毕业后,她回到Fields实验室担任技术员和实验室经理。这时,她得到时任国家神经病与中风研究所所长Story
Landis的关注,Landis建议Stevens去做博士后。

之后,Stevens来到世界顶尖神经胶质学家Barres的实验室。Barres回忆道,Stevens有“洪荒之力”,“她几乎每天都加班到深夜,没有节假日”。她还积极参与实验室的社交生活,为每个成员组织生日派对。“她是真正享受研究。”Eroglu说。

博士后研究完成后,Stevens接受了来自波士顿的工作邀请,又回到东部。专心解决大脑之谜。

找到在活体大脑中检验小神经胶质是否“吞下”突触碎片的方法,是Stevens面临的第一个挑战。Stevens雇佣的第一位博士后Dori
Schafer利用基因技术,使小鼠的小神经胶质在紫外线照射下发出绿色的光芒。通过采用高分辨率成像技术,第一个结果出现了。

Stevens曾发现一些负责启动免疫反应清除身体中致病因素的蛋白质,在标记需消除的虚弱或不需要的突触中也发挥着作用。这个过程会让像“吃豆人”一样的小神经胶质细胞吞噬靶向突触,从而为更加精确的大脑线路连接作好准备。

大脑中的神经连接会被不断修剪,这是大脑正常发育的一个至关重要的过程。Stevens等人推测,在阿尔茨海默氏病患者大脑中,这种神经修剪的机制可能出现异常,从而造成突触丢失。

为了验证假设,Stevens和同事对小鼠进行了操作,使小鼠一只眼睛比另一只更有活性,这就产生了两只眼睛—大脑不一致活性的神经回路。研究人员用染色的方法区分从左眼到右眼的信号,随后解剖了小鼠尸体,发现小神经胶质细胞可以优先修复活性不足眼睛神经回路的连接或者突触。相关研究成果刊登在《神经元》期刊。

“我们认为,随着更加深入地了解正常大脑中的突触修剪机制,对如何处理患者大脑中的这个机制我们也将有全新的理解。”Stevens说。

之后,研究人员又发现,在这种啮齿类动物模型中,斑块形成前有一个时间窗,而在这个时间窗里,小鼠的海马体(负责记忆和学习的大脑区域)中的突触发生了丢失。他们还发现了C1q这种参与正常突触修剪的蛋白的高表达。

研究小组又转而研究另一种蛋白——β淀粉样蛋白。在斑块产生和硬化前,该蛋白质的可溶形式已经对突触有毒。研究人员将这种β淀粉样蛋白注入3组小鼠中(正常对照组、C1q基因缺乏组、给予抗体阻断大脑中C1q功能组)。在第一组中,海马体中出现了大量的突触丢失,但在C1q被阻断的小鼠中没有发生突触丢失。这表明,C1q和β淀粉样蛋白是在同一通路中一起工作的,前者是后者造成这种损害的必要条件。

利用该实验模型,研究人员接着研究了小神经胶质细胞的行为,发现可溶形式的β淀粉样蛋白会刺激小神经胶质细胞吞噬突触。然而,抑制C1q能够保护细胞不受这种效果的影响。相关结论发表于《科学》杂志。

“他们的贡献引人注目。”欧洲分子生物学实验室的Cornelius
Gross说,“经典补体系统一直被认为参与病原体或死亡细胞的吞噬过程,他们似乎找到了确凿证据。”Gross也致力于小神经胶质研究。

Stevens也认为,他们的研究成果具有深远意义,因为在很多疾病中都会出现突触丢失,例如自闭症、精神分裂症、亨廷顿氏舞蹈症和青光眼。Stevens说:“让我们兴奋的是,我们的研究成果可能是一个作用更加广泛的机制而不是特定对某种疾病。”

尤其是今年年初,一项刊登在《自然》杂志的研究将精神分裂症与C4基因的变异联系在一起。这种基因同免疫系统存在关联,并且会标记需要清除的外来细胞。拥有这种基因的长形式,尤其是那些拥有多个长拷贝的人群更有可能患上精神分裂症。

研究负责人、哈佛大学医学院遗传学家 Steven McCarroll
指出,C4也许与经典补体级联中的其他成分协同作用促进突触修剪。这些研究结果表明,针对这一通路的新疗法可以治疗多种神经退行性疾病和精神疾病。

不过,开发此类疗法为时尚早。研究人员尚未确定最初启动C1q表达的机制,而且C1q在大脑清除死细胞和帮助定位有害物质上还起到了积极作用。因此还需要进一步研究,才能了解如何操控它防止造成有害的突触丢失,同时还能维护大脑的正常功能。

不管怎样,Stevens对未来充满希望,她跟同事也开始了另一段欢乐时光,“当人们有机会聚在一起,喝喝啤酒,你会发现我们的经历都差不多”。

《中国科学报》 (2016-08-29 第3版 国际)