阿爾茲海默癥發病機制及主流觀點
圖 1.《勿忘我》結尾片段
令人遺憾的是，阿爾茲海默癥的發病機制復雜，至今仍未完全破譯具體機制，目前主流觀點是腦內細胞外 β-淀粉樣蛋白 (Aβ) 逐漸沉積和細胞內 Tau 蛋白聚集導致的神經元死亡和認知障礙。
■ Aβ 蛋白沉積
Aβ 蛋白是淀粉樣神經炎斑塊的主要成分，由淀粉樣前體蛋白 (APP) 代謝產生的，從 APP 變身 Aβ 蛋白有以下歷程
APP 是 I 型跨膜糖蛋白，APP 在膜附近被 α-分泌酶的細胞外蛋白酶裂解，切割釋放出可溶性細胞外片段 sAPPα；同時也被 β-分泌酶 1 (BACE1) 的天冬氨酰蛋白酶裂解，釋放可溶性細胞外片段 APPβ 與膜結合片段 (C99)。緊接著，C99 在膜內被 γ-分泌酶復合物切割，釋放 Aβ 蛋白和細胞內肽 (AICD)。
Aβ 蛋白在神經元活動增強的環境下分泌釋放到細胞間質液中，聚集形成寡聚體、原纖維，最終形成斑塊 (圖 2)。
2021 年 6 月 7 日，FDA 批準阿杜卡努單抗 (Aducanumab) 作為早期阿爾茲海默癥的治療藥物。作為近 20 年來首款用于阿爾茲海默癥的批準藥物，阿杜卡努單抗的主要作用機制是：作為一種高親和靶向 Aβ 構象的單抗，與阿爾茨海默癥 (AD) 患者腦中的淀粉樣蛋白結合最終達到清除目的。
圖 2. Aβ 蛋白沉積[1][2]
■ Tau 蛋白聚集驅動 AD 發展
Tau 蛋白與認知障礙的進展密切相關。研究表明，隨著年齡的增長，即使沒有認知能力下降，Tau 病理也會在內嗅皮層和內側顳葉中積累，即所謂的原發性年齡相關 Tau 病變 (PART)。Tau 蛋白已經被證明在微管組裝和神經元軸突的穩定以及微管運輸的調節中具有重要作用，Tau 敲除 (KO) 小鼠雖然沒有表現嚴重的發育表型，但在細胞培養中會表現出明顯神經元成熟延遲和突觸可塑性受損。
在正常情況下，Tau 蛋白通常以其天然單體形式存在，但是在阿爾茲海默癥患者的大腦中，Tau 蛋白聚集物以一種固定的方式沿著神經解剖連接線發生。錯誤折疊的 Tau 蛋白促進天然 Tau 單體的錯誤折疊，進一步導致新的病理 Tau 蛋白聚集物產生。
圖 3. Tau 蛋白聚集[2][3]
Tau 蛋白也受多種翻譯后修飾的影響，包括磷酸化、乙�；�、糖化、O-GlcNAcylation 等多種修飾。Tau 在不同位點的磷酸化反映疾病的進程。在 AD 早期，神經原纖維纏結 (NFTs) 尚未形成，Tau 的磷酸化位點主要發生在 Ser199 和 Ser422 等位點，隨著疾病的進展，Ser202 和 Thr205 位點的磷酸化將不斷增強。Thr231 位點的磷酸化一般標志著有更多的成熟的 p-Tau 組裝形成 NFTs，推動疾病進入晚期階段。乙�；揎椧灿兄匾饔�，最近發表于 Cell 的文章 Reducing acetylated tau is neuroprotective in brain injury 一文表明，創傷性腦損傷 (TBI) 是 AD 中的非遺傳性、非衰老相關風險因素，在有 TBI 史的 AD 患者大腦中的乙酰化位點誘導 tau 乙�；� (ac-tau)。
阿爾茲海默癥的相關發病機制較為復雜，那么用于阿爾茲海默癥研究的動物模型有哪些呢
■ 表現 Aβ 病變的小鼠模型
Aβ 蛋白的注射：有很多研究者選擇直接向小鼠和大鼠腦內注射毒性 Aβ 多肽來模擬阿爾茨海默病 (圖 4)。這種使用注射的方法能夠模擬在分子層面以及行為層面上的改變，例如：學習和記憶能力削弱。這種造模方式造模時間短，但個體差異較大，且注射的方法比較考驗技巧。
圖 4. Aβ 蛋白注射誘導疾病模型[5]
除了上述方法，還有基于人源性 APP 或 PS1 突變基因構建而成的小鼠模型。野生型小鼠與人的 APP 蛋白存在氨基酸位點差異, 一般無法自發生成 Aβ 沉積。因此只有通過轉入人源性 APP 基因才能表現出 Aβ 相關的病理改變。例如：PDAPP 小鼠在 PDGF-β 啟動子的調節下表達人類 APP Indiana 突變 (APPV717F)，使得 APP 表達量上調 (小鼠內源性 APP 的 10 倍)。該模型小鼠在 6~9 月齡時開始出現 Aβ 斑塊，在大腦中表現出年齡依賴性淀粉樣蛋白沉積以及硫代黃素-S 陽性斑塊，包括具有致密核心的致密斑塊，這些斑塊與人類 AD 中所見的相似。
■ 表現 Tau 病變的轉基因小鼠模型
JNPL3 小鼠是最早利用 P301L 突變構建的 Tau 轉基因小鼠模型，該模型小鼠可在小腦、海馬體，以及脊髓等處過表達人源性 TauP301L 蛋白，并且使得神經原纖維纏結以年齡和基因劑量依賴性方式發展。除 P301L 突變之外，P301S 也是常見的 Tau 轉基因小鼠模型。例如，在 6 月 21 日在 Neuron 上發表的 Overexpressing low-density lipoprotein receptor reduces tau-associated neurodegeneration in relation to apoE-linked mechanisms 中，作者團隊證明了 LDLR OX 降低 apoE 表達，并減少 P301S 小鼠的 Tau 病理和神經變性。
作者團隊將 LDLR 轉基因小鼠與 P301S 小鼠雜交，產生 P301S/LDLR 雜交小鼠。研究結果表明，在 P301S 小鼠中，P301S 小鼠的海馬和梨狀/內嗅皮層表現出嚴重的腦萎縮 (圖 5A)，突觸蛋白染色結果顯示 P301S 小鼠的海馬 CA3 區的透明層突觸丟失明顯 (圖 5B)。而 P301S/LDLR 小鼠相對 P301 小鼠，上述癥狀都有緩解，并且原本由一到四型逐加重的并且將 p-tau 染色也被 LDLR OX 轉變至早期模式 (圖 5C, 5D)。
圖 5. P301S 小鼠中的 LDLR OX 減輕神經變性[6]
A: 蘇丹黑染色；B: 突觸蛋白染色；C: AT8 染色的四種不同的 p-tau 模式；D. P301S和 P301S/LDLR 小鼠 p-tau 染色模式分布式
■ 同時表現 Aβ 和 Tau 病變的轉基因小鼠模型
除了上述轉基因模型，目前公認的可較為全面模擬 AD 病理改變的模型是 3xTg 小鼠，該模型小鼠同時攜帶 APPK670N/M671L、TauP301L 以及 PS1M146L 三種 FAD 突變。例如近期在 Cell 上發表的題為 Chaperone-mediated autophagy prevents collapse of the neuronal metastable proteome 文章，證明了 CMA 激活對 AD 樣病變的改善作用。作者團隊使用了 AD (Tg) 三轉基因小鼠模型，同時從小鼠第八個月起，開始給 CMA 激動劑 CA77.1 (簡稱 CA) (圖 6A)。Tg 小鼠表現出類似焦慮和抑郁的行為，并且記憶明顯下降。
免疫熒光的結果表明 3xTg 小鼠的海馬背側早期 p-T231tau 蛋白水平，未成熟淀粉樣斑塊 (MOAB2)、成熟淀粉樣沉積 (6E10)、β 樣折疊蛋白以及 pThr231tau 都發生了顯著的上調 (圖 6B)。結果還顯示海馬背側的小膠質細胞 (Iba 染色) 和星形膠質細胞數量明顯增多，膠質細胞與淀粉樣斑塊樣沉積物的共定位染色明顯 (圖 6C)。而 CA 給藥組會明顯改善上述狀況。總之，這些結果證明了 CA 對 AD 相關病理具有有益的影響。
圖 6. 3xTg 小鼠的海馬背側染色[7]
A: 3xTg 模型示意; B: AD 疾病相關指標染色; C: 膠質細胞染色
總結：
在這篇文章中，小 M 給大家介紹了目前關于阿爾茲海默癥發病機制的主流觀點Aβ 作為斑塊或非纖溶、寡聚物形式，最后形成致密的蛋白斑塊 (“老年斑”)；tau 蛋白錯誤折疊和組裝，不斷擴散，最后導致神經并擴散到整個皮質，導致神經系統衰竭、神經退行性變和認知能力下降。
關于阿爾茲海默癥的研究，研究者們從未停止探索的腳步，小 M 相信，總有一天，守得云開見月明。
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BACE1 抑制劑 |
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血腦屏障的 BACE1 抑制劑，可用于阿爾茲海默癥的研究。 |
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具有口服活性的、可透過大腦屏障的 BACE1 抑制劑，可用于阿爾茲海默癥的研究。 |
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BACE-1 抑制劑，可用于阿爾茲海默癥的研究。 |
| γ-secretase 抑制劑 |
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γ-secretase 抑制劑，抑制 Aβ42 和 Aβ40 的產生，用于阿爾茲海默癥的研究。 |
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γ-secretase 抑制劑，抑制 Aβ42, Aβ38 和 Aβ40 形成，可用于阿爾茲海默癥的研究。 |
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γ-secretase 選擇性抑制劑 (IC50: Aβ40=15 nM)，可用于阿爾茲海默癥的研究。 |
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β-Amyloid 蛋白相關產品 |
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由 42 個氨基酸組成的肽，是構成老年斑和神經纖維纏結的主要成分，在阿爾茲海默癥的發病機制中起關鍵作用。 |
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β-淀粉樣蛋白的活性片段，可誘導阿爾茲海默癥相關的神經毒性。 |
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是由 42 個氨基酸組成的肽，有神經毒性作用，可用于阿爾茲海默癥的相關研究。 |
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β-Amyloid (42-1), human 是 β-Amyloid (1-42) 的無活性形式；可用作陰性對照。 |
| 其他產品 |
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β-Amyloid 聚集，可用于阿爾茲海默癥的研究。 |
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防止 Aβ 沉積，可恢復細胞中銅和鋅離子的穩態，可用于阿爾茲海默癥的研究。 |
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(-)-Epigallocatechin Gallate (EGCG) 通過抑制 APP 蛋白水解減少 Aβ 蛋白的形成。 |
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縮寫
AD: Alzheimer's disease
APP: Amyloid precusor protein
NFTs: Neurofibrillary tangles
CMA: Chaperone-mediated autophagy
FAD: Familial Alzheimer's disease
參考文獻
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2. Justin M Long, David M Holtzman, et al. Alzheimer Disease: An Update on Pathobiology and Treatment Strategies. Cell. 2019 Oct 3;179(2):312-339.3. Marc Aurel Busche, Bradley T Hyman, et al. Synergy between amyloid-β and tau in Alzheimer's disease. Nat Neurosci. 2020 Oct;23(10):1183-1193.
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