阿爾茨海默病相關(guān)的基因表達在不同腦細胞類型中發(fā)生的變化

北京時間 5 月 2 日，Nature 雜志發(fā)表了麻省理工學院（MIT）大腦與認知科學系華人女科學家蔡立慧（LiHuei Tsai）教授團隊的一項重磅研究，研究人員通過對 48 名患有阿爾茨海默?。?a target="_blank">AD）不同程度病理個體進行了超過 80000 個單細胞 RNA 分析，揭示了阿爾茨海默病相關(guān)的基因表達在不同腦細胞類型中發(fā)生的變化。

這是科學家們首次對阿爾茨海默病患者個體腦細胞中表達的基因進行綜合分析，并且有望為阿爾茨海默病提供許多潛在的新藥物靶點。

蔡立慧在一份聲明中表示，”我們想知道是否可以區(qū)分每種細胞類型是否在健康和患病的腦組織之間存在差異的基因表達模式。而這正是單細胞水平分析的強大能力，我們可以通過單細胞分析真正看到大腦中所有不同細胞類型之間的差異?！?/p>

同為研究論文通訊作者的麻省理工學院計算機科學教授、麻省理工學院計算機科學與人工智能實驗室成員 Manolis Kellis 表示，”在我看來，這項研究為我們提供了研究阿爾茨海默病患者大腦細胞所有分子過程的第一張圖譜，這些過程在每一種細胞類型中都發(fā)生了改變，而我們現(xiàn)在可以可靠地對這些細胞進行描述，這開啟了一個了解阿爾茨海默病的全新時代?！?/p>

單細胞測序技術(shù)揭示 AD 分子圖譜

細胞是構(gòu)成生命體的結(jié)構(gòu)和功能的基本單位，不同類型的細胞形態(tài)迥異，功能也各不相同。即使是同類細胞間看似相同，但也存在著廣泛的細胞異質(zhì)性。早期基于群體細胞分析所獲得的平均性數(shù)據(jù)，往往忽略了細胞個體間差異。

隨著細胞分離和新一代測序的發(fā)展，研究人員開始研究單個細胞 DNA、RNA、蛋白質(zhì)和染色質(zhì)層面的差異。2009 年，由北大生命科學學院教授湯富酬團隊首次報道的單細胞轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)，就旨在讓我們在單細胞層面更清楚地識別特定細胞及其功能。

使用單細胞測序方法，研究人員不僅能夠分析最豐富的細胞類型，包括興奮性和抑制性神經(jīng)元，還能分析稀有的非神經(jīng)元腦細胞，如少突膠質(zhì)細胞、星形膠質(zhì)細胞和小膠質(zhì)細胞。

圖 | 正常老年人的大腦（左）和阿爾茨海默病患者的大腦（右）比較

之前對阿爾茨海默病患者基因表達的研究，已經(jīng)分析了部分腦組織的總體 RNA 水平，但是這些研究沒有區(qū)分具體的細胞類型，難以揭示豐富細胞類型中發(fā)生的變化。

而在最新的這項研究中，研究人員通過分析 24 位有著輕度至重度病理學特征的阿爾茨海默病患者的大腦樣本，以及 24 位幾乎沒有病理學特征的對照組樣本，結(jié)果發(fā)現(xiàn)大腦中的每一種細胞類型在阿爾茨海默病患者中都表現(xiàn)出明顯的基因表達差異。

一些最顯著的變化發(fā)生在與軸突再生和髓鞘形成相關(guān)的基因中。髓鞘是一種脂肪鞘，它將軸突與外界隔離，幫助軸突傳遞電信號。研究人員發(fā)現(xiàn)，在患有阿爾茨海默病的個體中，與髓鞘形成相關(guān)的基因在神經(jīng)元和少突膠質(zhì)細胞（產(chǎn)生髓鞘的細胞）中都受到影響。

這些細胞類型特異性的基因表達變化，大多發(fā)生在疾病發(fā)展的早期。在后期階段，研究人員發(fā)現(xiàn)大多數(shù)細胞類型都有非常相似的基因表達變化模式。具體來說，大多數(shù)腦細胞都發(fā)現(xiàn)了與應激反應、程序性細胞死亡以及維持蛋白質(zhì)完整性所需的細胞機制相關(guān)的基因。

此外，研究人員還發(fā)現(xiàn)了基因表達模式與阿爾茨海默病嚴重程度其他指標之間的相關(guān)性，如淀粉樣斑塊和神經(jīng)原纖維纏結(jié)的水平，以及認知障礙。

最令人驚訝的是，研究人員發(fā)現(xiàn)了男性和女性阿爾茨海默病患者的腦細胞之間的巨大差異。研究人員指出，男性患者的興奮性神經(jīng)元和其他腦細胞在阿爾茨海默病中表現(xiàn)出的基因表達變化不如女性個體，即使這些患者確實表現(xiàn)出相似的癥狀，包括淀粉樣蛋白斑和認知障礙。相比之下，來自女性患者的腦細胞顯示出阿爾茨海默病中更嚴重的基因表達變化，以及一系列改變。

“阿爾茨海默病的性別差異有越來越多的臨床和臨床前證據(jù)，但沒有潛在的已知機制。而我們的研究表明，非神經(jīng)元髓鞘細胞參與的細胞分化過程可能發(fā)揮了作用。關(guān)鍵是要弄清楚這些差異是否只在一種性別中保護或損害腦細胞，以及如何在另一種性別中平衡預期方向的反應?！毖芯空撐墓餐谝蛔髡?、麻省理工學院的 Jose Davila--VelderrainJose 說。

沒有參與本項研究的哈佛大學醫(yī)學院遺傳學和神經(jīng)學教授 Bruce Yankner 將這項研究描述為”分子病理學之旅”。

“這是第一次全面應用單細胞 RNA 測序技術(shù)研究阿爾茨海默病，”Yankner 說，”我預計這將是該領域非常寶貴的資源，并將促進我們對該疾病的分子基礎的理解?！?/p>

蔡教授發(fā)明的 40 赫茲”光+聲”刺激

阿爾茨海默病作為一種主要與衰老相關(guān)的神經(jīng)退行性疾病，由德國精神病學家和病理學家愛羅斯·阿爾茨海默在 1906 年首次發(fā)現(xiàn)并命名。至今百余年已經(jīng)過去，人們?nèi)耘f沒有成功揭開這種疾病的神秘面紗，阿爾茨海默病的藥物研發(fā)也被稱為”蒙著眼睛開槍”。

數(shù)十年來，各大藥企耗費數(shù)十億美元尋找治療阿爾茨海默病的良藥，但結(jié)果并不理想。自 1998 年以來，已有 100 多次嘗試開發(fā)治療該疾病的有效藥物，但只有 4 種獲得批準。這些獲批的藥物，也都只是為了治療一些癥狀，并不能治愈甚至延緩阿爾茨海默病的進展。

但即便如此，科學家們?nèi)栽诓挥噙z力地尋找任何能夠治愈或者延緩阿爾茨海默病的藥物或方法。

2016 年，蔡立慧帶領的研究團隊就曾發(fā)現(xiàn)，40赫茲的光能夠刺激小鼠大腦的γ腦電波，減少大腦中的β淀粉樣蛋白。

腦波，是指人腦內(nèi)的神經(jīng)元細胞之間傳遞信息時產(chǎn)生的生物電信號。人類的大腦在不同行為及狀態(tài)下可以產(chǎn)生多種腦波，常用的為 β 波、α 波、θ 波、δ 波和 γ 波等。其中 γ 波的頻率為 25~100 赫茲（通常為 40 赫茲），當我們集中注意力、做決定或者使用記憶時，主要是這一頻率的腦電波。

以往的研究發(fā)現(xiàn)，阿爾茨海默病患者大腦的 γ 波呈現(xiàn)異常，但一直以來，研究者們都將其視為疾病的結(jié)果。而蔡立慧認為，如果沒有足夠的線索，將 γ 波的異常進行定性是不足以讓人信服的。也就是說，如果假設因為患者大腦的 γ 波異常而導致疾病，這種說法也是可能的。

基于這一想法，蔡立慧帶領研究團隊首先選擇頻率為 40 赫茲的閃光對實驗小鼠進行光刺激。研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過每天 1 小時的處理，小鼠視覺皮層的 β 淀粉樣蛋白及 Tau 蛋白水平顯著降低。

但光線的作用只能局限在大腦的視覺皮層，而這與我們更關(guān)注的與記憶相關(guān)的海馬區(qū)還有一定距離。隨后，他們選擇了頻率同為 40 赫茲、受限更少的聲音作為動物實驗的媒介。同樣使實驗動物每天暴露在 1 小時的聲音處理下，7 天后實驗小鼠聽覺皮層和海馬區(qū)中的β淀粉樣蛋白明顯減少，同時小鼠的認知能力增強。

圖 | 40 赫茲”光””聲”刺激改善阿爾茨海默病相關(guān)病理并改善認知

之后，研究人員又嘗試了”光+聲音”雙管齊下的試驗驗證，結(jié)果讓研究團隊喜出望外，二者的結(jié)合發(fā)揮了更大的積極作用，更多的 β 淀粉樣蛋白被清除。進一步的研究發(fā)現(xiàn)，行使”免疫吞噬”功能的小膠質(zhì)細胞的數(shù)量增加，并且大腦內(nèi)的血管直徑也有所增大，而這很可能是大腦清除 β 淀粉樣蛋白的重要途徑。

這一研究成果也于 2019 年 3 月發(fā)表在 Cell雜志。不久前在接受 DeepTech 采訪時蔡立慧表示，這種療法對于阿爾茨海默病而言，可以說是一種”減緩”，但目前并沒有足夠的證據(jù)證明這種療法可以”逆轉(zhuǎn)”疾病。她表示，其團隊剛剛開始人體研究，希望測試該療法在早期阿爾茨海默病患者身上的效果。

在阿爾茲海默病藥物研發(fā)領域跌入冰點的這兩年，不得不說類似于”光+聲”刺激治療阿爾茨海默病的新療法，給全球數(shù)以億計的阿爾茨海默病患者帶來了新的希望。而隨著科學家們在單細胞水平對于阿爾茲海默病的全新認識，新的靶點和藥物研發(fā)也將隨之而來。