Nature子刊揭示治疗阿尔茨海默症新靶点
大约25%的人携带APOE基因的APOE4变体，这使得他们患老年痴呆症的风险大大增加。几乎所有阿尔茨海默病患者，甚至一些没有阿尔茨海默病的老年人，都患有脑淀粉样血管病（cerebral amyloid angiopathy, CAA）。这种情况下，淀粉样蛋白沉积在血管壁上，削弱了血脑屏障正确运输营养物质、清除废物和防止病原体和有害物质侵入的能力。
近期，麻省理工学院Picower学习与记忆研究所的神经科学家通过建立人血脑屏障（blood-brain barrier, BBB）的实验室模型，发现了常见的阿尔茨海默病风险基因是如何导致淀粉样蛋白斑块来破坏大脑血管系统的，并表明可以通过已经批准上市的药物来预防这种损害。
6月8日，发表在Nature Medicine杂志上的这项新研究指出，APOE4变体通过特定血管细胞（周细胞）和分子通路（钙调神经磷酸酶-NFAT）促进脑淀粉样血管病病变 [1]。
图片来源：Nature Medicine [1]
研究表明，在携带APOE4变体的人群中，血管周细胞产生的APOE蛋白过多。APOE导致在阿尔茨海默病中较丰富的淀粉样蛋白聚集在一起。同时，病变周细胞对钙调神经磷酸酶-NFAT分子通路的激活增加，似乎促进了APOE的表达。
文章一作者Joel Blanchard说：“我们发现，在易患阿尔茨海默症的人群中，有一种特殊的基因通路，即钙调神经磷酸酶-NFAT分子通路表达异常。据此，我们可以发现能将这种通路变回非疾病状态的药物，并纠正与阿尔茨海默症相关症状。”
据悉，已有药物可抑制这种通路，目前它们被用来在移植后抑制免疫系统。当研究人员用这类药物处理实验室培养的带有APOE4变体的血脑屏障模型时，它们积累的淀粉样蛋白明显比未经治疗的要少。
构建血脑屏障
为了研究阿尔茨海默症、APOE4变体与脑淀粉样血管病之间的关系，Blanchard等将人类诱导多能干细胞（iPSC）诱导为构成血脑屏障的3种类型细胞：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，研究人员进行了广泛的测试，以确保它们表现出周细胞样特性和基因表达。
iPSC来源的血脑屏障构建简图。BECs=脑内皮细胞；iMCs=iPSC来源的壁细胞（具有周细胞样特性）；Astrocytes=星形胶质细胞. （图片来源：Nature Medicine [1]）
在三维水凝胶支架内生长两周后，血脑屏障模型细胞组装成具有天然血脑屏障特性的血管，包括对分子的低渗透性和与天然血脑屏障相同的关键基因、蛋白质和分子泵的表达。当其被浸泡在富含淀粉样蛋白的培养基中模拟阿尔茨海默病大脑的情况时，血脑屏障模型显示出与人类疾病中相同的淀粉样物质的积累。
构建血脑屏障模型后，研究人员试图检测APOE4制造的差异。通过几项实验可以发现，与携带APOE3（更典型和健康的变体）的血脑屏障模型相比，携带APOE4的血脑屏障模型在培养基中积累的淀粉样蛋白（标记为绿色，见下图）明显更多。
图片来源：Nature Medicine [1]
为了确定APOE4是如何产生这种差异的，他们设计了8种不同的版本，涵盖了3种细胞类型的所有可能组合，它们要么携带APOE3要么携带APOE4。当这些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淀粉样蛋白的过度积累。用携带APOE3的壁细胞替换携带APOE4的壁细胞可以减少淀粉样蛋白的沉积。这些结果明确将脑淀粉样血管病样病变归因于周细胞。
为进一步验证这些发现的临床相关性，研究小组还观察了人类前额叶皮层和海马区两个阿尔茨海默症严重影响区域的脑血管样本中的APOE表达。与实验室血脑屏障模型一致，携带APOE4的人比携带APOE3的人在血管系统，特别是周细胞中，显示出更高的APOE基因表达。
“这是本文的一个重点，它强调了APOE的细胞类型特异性功能。”领导该研究的Li-Huei Tsai说道。
指向新疗法
下一步是确定APOE4如何被周细胞过度表达。因此，研究人员鉴定了数百种在APOE3和APOE4周细胞样壁细胞之间差异表达的转录因子。然后他们研究了这个列表，看看哪些因子特别影响APOE的表达。一组在APOE4细胞中上调的因子脱颖而出：它们是钙调神经磷酸酶-NFAT通路的一部分。研究人员在人类海马区样本的周细胞中观察到类似的通路上调。
作为研究该通路信号活性升高是否导致淀粉样沉积增加和脑淀粉样血管病的一部分，研究人员测试了环孢菌素A、FK506，因为它们能抑制该通路的活性。他们发现这些药物降低了周细胞样壁细胞中APOE的表达，由此降低了血脑屏障模型中APOE4介导的淀粉样沉积。
为了检验这些发现是否可以在体内用于减少疾病病理，他们还对携带APOE4的小鼠进行了药物测试，结果显示这些药物在小鼠体内降低了APOE的表达和淀粉样物质的积累。
Blanchard和Tsai指出，这些药物可能有显著的副作用，因此他们的发现并不意味着使用这些药物来解决患者的CAA问题。“相反，它指向理解这一机制的价值。这使人们能够设计并进行小分子筛选，以找到具有更少脱靶效应的更为有效的药物。”Blanchard说道。
有趣的是，据观察，长期服用环孢菌素A或FK506的患者与普通人群相比痴呆的发生率显著降低。这项研究结果为这些观察提供了新的视角，并强调APOE和钙调神经磷酸酶-NFAT信号可作为APOE4介导的脑淀粉样血管病和阿尔茨海默病的潜在靶点。
相关论文：
[1] Joel W.Blanchard, et al. Reconstruction of the human blood–brain barrier in vitro reveals apathogenic mechanism of APOE4 in pericytes, Nature Medicine (2020).
参考资料:
1# Study finds path for addressing Alzheimer's blood-brain barrier impairment（来源：Medical press）
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