原創 David Orenstein 阿爾茨海默病
在阿爾茨海默病中，沿大腦血管系統沉積的澱粉樣蛋白會導致一種稱為腦澱粉樣血管病（CAA）的疾病，從而損害血腦屏障（BBB）功能並加速認知退化。載脂蛋白（APOE4）是CAA的最強危險因素，但這種遺傳易感性的潛在機制尚不清楚。
通過開發一個實驗室設計的人血腦屏障（BBB）模型，麻省理工學院（MIT）皮考爾學習與記憶研究所（Picower Institute for Learning and Memory）的神經科學家發現了最常見的阿爾茨海默病風險基因如何導致澱粉樣蛋白斑塊破壞大腦的血管系統，並表明他們可以使用已獲批准用於人類的藥物來預防這種損害。
大約25%的人有APOE基因的APOE4變體，這使得他們患阿爾茨海默病的風險大大增加。幾乎所有患有阿爾茨海默病的人，甚至一些沒有患阿爾茨海默病的老年人，都患有腦澱粉樣血管病(CAA)，在這種情況下，血管壁上的澱粉樣蛋白沉積削弱了血腦屏障適當運輸營養物、清除廢物以及防止病原體和有害物質侵入的能力。
在6月8日發表於《自然醫學》（Nature Medicine）上的這項新研究中，研究人員指出了APOE4變體促進CAA病理的特定血管細胞類型（周細胞）和分子通路（鈣調神經磷酸酶/ NFAT）。
研究於6月8日發表在《Nature Medicine》雜誌上
這項研究表明，在有APOE4變異的人中，血管中的周細胞會分泌過多的APOE蛋白，皮考爾神經科學教授，皮考爾研究所所長蔡立慧（Li-Huei Tsai）解釋說。APOE會導致澱粉樣蛋白聚集在一起，澱粉樣蛋白在阿爾茨海默病中含量更高。同時，患病的周細胞對鈣調神經磷酸酶/ NFAT分子通路的激活增強似乎促進了APOE表達的升高。
蔡立慧教授
已經有藥物可以抑制這種通路。目前它們被用來抑制移植後的免疫反應。當研究人員給實驗室培養的帶有APOE4變異的體外BBB注射一些藥物，包括環孢菌素A（cyclosporine A）和FK506時，它們積累的澱粉樣蛋白比未經治療的要少得多。
「我們發現，在易患阿爾茨海默病的人群中，有一種特定的基因通路表達不同，」研究的主要作者Joel Blanchard說，他是蔡立慧實驗室的博士後，「通過識別這一點，我們可以識別出將這一通路改變回非疾病狀態的藥物，並糾正這一與阿爾茨海默病相關的結果。」
構建血腦屏障（BBB）模型
為了研究阿爾茨海默病、APOE4變異體和CAA之間的聯繫，Blanchard、蔡立慧和合著者基於人類誘導多能幹細胞成為組成血腦屏障（BBB）的三種細胞：腦內皮細胞、星形膠質細胞和周細胞。周細胞是由壁細胞模擬的，他們對其進行了廣泛的測試，以確保它們表現出周細胞樣的特性和基因表達。
在三維水凝膠支架中生長兩周後，血腦屏障模型細胞血管生成，顯示出血腦屏障的天然特性，包括對分子的低滲透性，以及與天然血腦屏障相同的關鍵基因、蛋白質和分子泵的表達。當浸入高澱粉樣蛋白的培養液中，模擬阿爾茨海默病的大腦狀態時，實驗室培養的血腦屏障模型顯示出與人類疾病相同的澱粉樣蛋白積累。
在阿爾茨海默病中，血腦屏障會因澱粉樣蛋白的積累而被破壞，尤其是攜帶一種叫做APOE4的基因變體的人。三維效果圖顯示澱粉樣蛋白（綠色）的大量積累。
建立了BBB模型後，他們試圖測試APOE4的不同之處。他們通過多種方法表明，攜帶APOE4的血腦屏障模型比攜帶APOE3的模型從培養基中積累了更多的澱粉樣蛋白，ApoE 3是更典型和更健康的變體。
為了明確APOE4是如何造成這種差異的，他們設計了8個不同的版本，涵蓋了APOE3或APOE4三種細胞類型的所有可能組合。當他們將這些一個月大的模型暴露在富含澱粉樣蛋白的培養基中時，只有APOE4周細胞樣壁細胞的版本顯示出澱粉樣蛋白的過度積累。用攜帶APOE3的細胞替代APOE4的壁細胞減少了澱粉樣蛋白沉積。這些結果將CAA樣病理完全歸咎於周細胞。
為了進一步驗證這些發現的臨床意義，該團隊還觀察了人類大腦中前額葉皮層和海馬體的血管系統樣本中APOE的表達，這兩個區域對阿爾茨海默病有重要影響。與團隊實驗室的血腦屏障模型一致，APOE4基因在血管系統，特別是周細胞中的表達高於APOE3基因。
麻省理工學院Aging Brain Initiative的創始成員蔡立慧說：「這是本文的重點。這真的很酷，因為它強調了APOE特定於細胞類型的功能。」
麻省理工學院（MIT）皮考爾學習與記憶研究所
通向治療的道路？
下一步是確定APOE4是如何被周細胞過度表達的。因此，該團隊鑑定了數百種轉錄因子——決定基因表達方式的蛋白質——它們在APOE3和APOE4周細胞樣壁細胞之間受到不同的調節。然後，他們搜索了這個列表，看看哪些因素具體影響了APOE的表達。一組在APOE4細胞中上調的因子引人注目：它們是鈣調神經磷酸酶/NFAT通路的一部分。他們觀察到人類海馬樣本的周細胞中類似的通路上調。
作為研究該通路信號活性升高是否導致澱粉樣蛋白沉積和CAA增加的一部分，他們測試了環孢菌素A（cyclosporine A）和FK506，因為它們抑制了該通路的活性。他們發現，這些藥物降低了它們的周細胞樣壁細胞中的APOE表達，從而降低了血腦屏障模型中APOE4介導的澱粉樣沉積物。他們還在攜帶APOE4的小鼠中測試了這些藥物，發現這些藥物降低了APOE表達和澱粉樣蛋白的積累。
Blanchard和蔡立慧指出，這些藥物可能會有明顯的副作用，因此他們的發現可能並不建議使用這些藥物來解決患者的CAA。
Blanchard說：「相反，它指向了解這種機制的價值。它允許人們設計一個小分子篩查物，以發現具有較少脫靶作用的更有效的藥物。」
參考文獻
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
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