阿爾茨海默病相關(guān)的基因表達(dá)在不同腦細(xì)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(xué)院（MIT）大腦與認(rèn)知科學(xué)系華人女科學(xué)家蔡立慧（LiHuei Tsai）教授團(tuán)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(jìn)行了超過 80000 個單細(xì)胞 RNA 分析，揭示了阿爾茨海默病相關(guān)的基因表達(dá)在不同腦細(xì)胞類型中發(fā)生的變化。

這是科學(xué)家們首次對阿爾茨海默病患者個體腦細(xì)胞中表達(dá)的基因進(jìn)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(xì)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(dá)模式。而這正是單細(xì)胞水平分析的強(qiáng)大能力，我們可以通過單細(xì)胞分析真正看到大腦中所有不同細(xì)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(xué)院計算機(jī)科學(xué)教授、麻省理工學(xué)院計算機(jī)科學(xué)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(xì)胞所有分子過程的第一張圖譜，這些過程在每一種細(xì)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(xì)胞進(jìn)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(xì)胞測序技術(shù)揭示 AD 分子圖譜

細(xì)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(xì)胞形態(tài)迥異，功能也各不相同。即使是同類細(xì)胞間看似相同，但也存在著廣泛的細(xì)胞異質(zhì)性。早期基于群體細(xì)胞分析所獲得的平均性數(shù)據(jù)，往往忽略了細(xì)胞個體間差異。

隨著細(xì)胞分離和新一代測序的發(fā)展，研究人員開始研究單個細(xì)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(xué)學(xué)院教授湯富酬團(tuán)隊首次報道的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)，就旨在讓我們在單細(xì)胞層面更清楚地識別特定細(xì)胞及其功能。

使用單細(xì)胞測序方法，研究人員不僅能夠分析最豐富的細(xì)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(xì)胞，如少突膠質(zhì)細(xì)胞、星形膠質(zhì)細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)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(dá)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(xì)胞類型，難以揭示豐富細(xì)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(xué)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(xué)特征的對照組樣本，結(jié)果發(fā)現(xiàn)大腦中的每一種細(xì)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(dá)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(xì)胞（產(chǎn)生髓鞘的細(xì)胞）中都受到影響。

這些細(xì)胞類型特異性的基因表達(dá)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(xì)胞類型都有非常相似的基因表達(dá)變化模式。具體來說，大多數(shù)腦細(xì)胞都發(fā)現(xiàn)了與應(yīng)激反應(yīng)、程序性細(xì)胞死亡以及維持蛋白質(zhì)完整性所需的細(xì)胞機(jī)制相關(guān)的基因。

此外，研究人員還發(fā)現(xiàn)了基因表達(dá)模式與阿爾茨海默病嚴(yán)重程度其他指標(biāo)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(rèn)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(xì)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(xì)胞在阿爾茨海默病中表現(xiàn)出的基因表達(dá)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(rèn)知障礙。相比之下，來自女性患者的腦細(xì)胞顯示出阿爾茨海默病中更嚴(yán)重的基因表達(dá)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(jī)制。而我們的研究表明，非神經(jīng)元髓鞘細(xì)胞參與的細(xì)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(hù)或損害腦細(xì)胞，以及如何在另一種性別中平衡預(yù)期方向的反應(yīng)?！毖芯空撐墓餐谝蛔髡?、麻省理工學(xué)院的 Jose Davila--VelderrainJose 說。

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

“這是第一次全面應(yīng)用單細(xì)胞 RNA 測序技術(shù)研究阿爾茨海默病，”Yankner 說，”我預(yù)計這將是該領(lǐng)域非常寶貴的資源，并將促進(jìn)我們對該疾病的分子基礎(chǔ)的理解。”

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(xué)家和病理學(xué)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(zhǔn)。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(jìn)展。

但即便如此，科學(xué)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(lǐng)的研究團(tuán)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(xì)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(dāng)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(rèn)為，如果沒有足夠的線索，將 γ 波的異常進(jìn)行定性是不足以讓人信服的。也就是說，如果假設(shè)因為患者大腦的 γ 波異常而導(dǎo)致疾病，這種說法也是可能的。

基于這一想法，蔡立慧帶領(lǐng)研究團(tuán)隊首先選擇頻率為 40 赫茲的閃光對實驗小鼠進(jìn)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(rèn)知能力增強(qiáng)。

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(rèn)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(tuán)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(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，行使”免疫吞噬”功能的小膠質(zhì)細(xì)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(tuán)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(lǐng)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(xué)家們在單細(xì)胞水平對于阿爾茲海默病的全新認(rèn)識，新的靶點和藥物研發(fā)也將隨之而來。