微生物vs淀粉样蛋白，谁是阿尔茨海默症的元凶？
编者按
今天，我们特别关注阿尔茨海默症。希望该文能够为诸位读者带来一些启发和帮助。
淀粉样蛋白假说与感染假说
两年前，免疫学家、医学出版企业家 Leslie Norins 决定出资 100 万美元作为奖金，来奖励给那些可以证明阿尔茨海默症是由细菌引起的科学家。
几十年以来，感染会引起痴呆症的这套理论，一直在神经科学研究领域的边缘徘徊。在大量证据的支持下，大多数阿尔茨海默症研究者认为，阿尔茨海默症的罪魁祸首是大脑中名为淀粉样蛋白的粘性分子，这种淀粉样蛋白会聚集成块，从而引起炎症反应，导致神经元死亡。
但是 Norins 想要奖励那些让感染理论更具说服力的工作。Norins 说：“淀粉样蛋白假说已经变成了大多研究者唯一公认的‘信仰’了。少数将目光瞄准微生物并发表论文的先驱研究者，却被嘲笑或被忽视了。”
导致这样的情况很大程度上是因为早期支持感染理论的研究者认为淀粉样蛋白假说是错的，而感染理论是对的，二者只存其一。但近期的研究结果则提供了一些有意思的线索：感染可能会导致淀粉样蛋白团块产生，从而引发阿尔茨海默症，即这两种观点本应互相补充。
这些研究数据表明，淀粉样蛋白在神经元中起着重要作用。它不单单是一种有毒的产物，而且还可能担任着一项重要任务——保护大脑免受感染。但年龄或者基因可能会干扰整个系统的制约与平衡，导致淀粉粒蛋白从一个守卫变成了反派。
而这种观点也为探索阿尔茨海默症治疗方法提供了新思路。为了进一步验证这一理论，科学家们正努力开发构建更接近阿尔茨海默症的动物模型。英国伦敦大学学院痴呆症研究中心主任神经生物学家 Bart de Strooper 说：“我们正在认真对待这些观点。”
因结块窒息而亡
淀粉样蛋白假说认为，阿尔茨海默症是由脑细胞间空隙中的粘性可溶性蛋白质——淀粉样β蛋白肽沉淀聚积导致的。这些肽是从嵌入在神经元细胞膜中的另一种蛋白质中解离出来的。一旦自由漂浮，它们会聚集在一起形成更大的结构，如果不能被特殊的酶高效清除，它们就会形成斑块。这些斑块随后会触发一系列的致命反应: 它们引发神经炎症并产生大量的 tau 蛋白。这一连串的反应会导致神经元死亡。
这一假说的批评者指出，很多从未患过阿尔茨海默症的人在死亡后脑内也会出现这种斑块。另外，很多以消除斑块为基础的疗法的临床试验均以失败为告终，这些疗法并未减缓该疾病的发展。
而支持淀粉样蛋白假说的研究者则反驳称，虽然斑块密度在个体间差异较大，但它们引发的 tau 丝蛋白缠绕的密度却与疾病严重程度密切相关。他们还称，临床试验之所以失败，可能是因为治疗方法介入的时期已经是疾病发展的后期了。
他们也有强有力的证据来捍卫自己的观点。有一些罕见的侵袭性阿尔茨海默症发生在生命早期，主要出现在 30~60 岁人群，且具有家族遗传性。这些疾病是由控制淀粉样蛋白生成过程和大脑炎症的相关基因突变引起的。
而许多其他基因与更常见的晚发性阿尔茨海默症的风险有关。一些基因编码的蛋白质与淀粉样蛋白有关，一些编码的蛋白质参与先天免疫系统中，这些蛋白可以迅速激活免疫系统，防止病原体在体内扩散，并推动炎症的发生。
图.阿尔茨海默病患者的脑组织样本中有时会含有微生物。
感染病原体
研究人员希望通过在成千上万的去世后的阿尔茨海默症患者的大脑中检测微生物来验证感染假说。在很多患者体内，他们都找到了微生物。Strooper 说：“但这些研究仅说明了它们存在相关性，而这种相关性可能跟机制无关。”
英国曼切斯特大学的生物物理学家 Ruth Itzhaki 在 20 世纪 90 年代报告了对于阿尔茨海默症患者去世后脑内的单纯疱疹病毒 1 型（HSVI）的观察结果1。她认为，大脑中微生物的存在一定表明了它们具有作用，她和其他人都认为，他们有很好的证据来证明病毒是阿尔茨海默症的关键。
Itzhaki 说：“我们中的大多数人都承认淀粉样蛋白是阿尔茨海默症的一个非常重要的特征，但它并不是原因。”
有几种微生物被认为是阿尔茨海默症的诱因，包括三种人类疱疹病毒和三种细菌：肺炎衣原体，肺部感染的原因；布氏杆菌，莱姆病的病原体；以及导致牙龈疾病的牙龈卟啉单胞菌。理论上，任何能够侵入大脑的传染病原体都可能具有这种触发作用（然而，没有充分的证据表明 COVID-19 背后的 SARS-CoV-2 病毒具有这种能力）。
这一领域的大多数研究小组都有自己偏爱的微生物，2018 年发表的两篇引人注目的论文研究了疱疹病毒的作用。其中一个来自纽约西奈山伊坎医学院 Joel Dudley 的研究小组，分析了各种数据库中近 1000 个患者死后大脑产生的大量基因、蛋白质和组织结构数据。
研究小组在脑组织中寻找病毒的特征——疱疹病毒特异的基因片段或蛋白质片段——并得出结论：阿尔茨海默病患者的人类疱疹病毒 6A 型（HHV-6A）和人类疱疹病毒 7 型的水平高于对照组2。
但是其他研究人员，包括马里兰州贝塞斯达的美国神经紊乱和中风研究院的病毒学家 Steven Jacobson，他的团队研究了超过 1000 个患者死后的大脑样本，没有重复出 Dudley 的发现3。
尽管 Dudley 研究中所涉及的患者大脑的样本量令人震撼，但是其结果只揭示了相关性。位于波恩的德国神经退行性疾病研究中心的 Michael Heneka 称，这一数据的来源也令人担忧。阿尔茨海默症患者的大脑在死亡前的状态非常糟糕，在尸检进行前，组织就会发生分解，而微生物很容易在生命的最后几天或死后渗入其中。
他说：“我们不能从尸检材料中对一种疾病的发病机理做出太多假设，更何况这种疾病的发展轨迹大约有30年。”
在 Dudley 的论文发表之前，台湾进行了一项长达十年的研究，跟踪调查了 8000 多名被诊断为单纯疱疹病毒的患者，并将他们与 25000 名没有被诊断为此病的对照组进行了比较。患有疱疹组患阿尔茨海默病的风险增加了 2.5 倍，但是那些接受积极药物治疗的人患阿尔茨海默病的风险几乎没有增加4。
不过，在这个理论被高度关注之前，感染可能以某种方式引发阿尔茨海默症的想法就已经有足够的吸引力让研究人员启动临床试验。
2017 年，纽约市哥伦比亚大学的一个团队开始测试抗病毒药物伐昔洛韦是否可以减缓轻度阿尔茨海默病患者的认知衰退和淀粉样斑块的形成，这些人的单纯疱疹病毒抗体检测也呈阳性。预计试验结果将于 2022 年公布。
寻找因果证据
当对人类研究仅能提供相关性关系时，研究人员往往会转向动物实验以期找到因果关系。但阿尔茨海默症的动物模型并不完美，例如，小鼠不会随着年龄的增长而发展出标志性的斑块，除非它们经过基因工程产生斑块。
目前广泛使用的 5xFAD 转基因小鼠对 5 个相关的基因进行了编辑，这些基因编码前淀粉样蛋白和将其切割成淀粉样蛋白-β 的酶。这些小鼠以超高的水平表达这些基因，它们在只有两个月大的时候就开始出现斑块。
神经遗传学家 Rudolph Tanzi 和他在查尔斯顿马萨诸塞州总医院的同事正在使用 5xFAD 小鼠模型来研究阿尔茨海默症。这一切开始于 2008 年某个星期五的下午，当时他们科室正在进行传统的 “啤酒一小时”——也被员工和学生称为 “态度调整一小时”。
Tanzi 一直在一些新的人类基因组学数据中寻找阿尔茨海默症的风险基因，他对列表中出现 CD33 基因——一种在先天免疫系统中广泛表达的蛋白质——感到很疑惑。于是，他去隔壁问他的朋友 Rob Moir，问他对先天免疫系统可能会产生一个导致阿尔茨海默症的候选基因这个奇怪的想法有什么看法。
Moir 是一位神经科学家，他正忙着研究生命科学文献中的新内容，并偶然看到了一篇关于抗菌肽的论文，抗菌肽存在于许多先天免疫途径中。他叫住了 Tanzi ：“老哥，你看看这个。”
他的电脑上显示了一张描述这些肽的表格，所有这些肽的长度都与淀粉样蛋白-β 相似，而且具有一些类似的特性。他问：“你认为淀粉样蛋白-β 有可能是一种抗菌肽吗？”Tanzi 毫不犹豫地说：“那我们来验证一下吧！”
Moir 接受了这一想法。Tanzi 回忆道：“他就像只咬住拖鞋的狗狗，对这个想法不肯放手。”
尽管 β-淀粉样蛋白在所有物种中都高度保守——这是生物具有功能的强有力指标，但是在当时还没有人考虑过它本身是否具备特定的功能。这一序列至少有 4 亿年的历史，大约三分之二的脊椎动物都存在这个序列。他们推测，这可能不仅仅是一个坏角色，也许它有好人的功能，捕获进入大脑的微生物，并阻止它们引起疾病。当大脑老化并失去有效清除淀粉样蛋白的能力时，这个系统可能会出错。
从事微生物学的 Tanzi 立马要求研究生 Stephanie Soscia 尽快研究 β-淀粉样蛋白是否可以杀死试管中 8 种常见的致病微生物，包括肺炎链球菌和大肠杆菌。她发现，它至少跟目前已知的抗菌肽效果相当。
他们在 2010 年将这一结果登报发表5，在接下来的几年里，Mori 主持了一系列更为深入的实验，以验证他们现在所称的抗菌素保护假说。他们将鼠伤寒沙门氏菌直接注射到 5xFAD 小鼠的大脑中，发现它们比非转基因、无菌斑的小鼠存活的时间更长。他们使用致病真菌白色念珠菌在线虫身上也发现了类似的结果。在这两种情况下，淀粉样蛋白形成了粘滞的网状物，吞噬并清除了病原菌6（见下图）。
然后，研究小组将注意力转移到疱疹病毒上，疱疹病毒已成为与阿尔茨海默症联系最密切的人类病原体。他们将单纯疱疹病毒 1 型注射到 5xFAD 小鼠和正常小鼠的大脑中。三周不到的时间，转基因小鼠的大脑中就布满了淀粉样斑块。当研究小组用致死剂量的单纯疱疹病毒 1 型重复实验时，转基因小鼠比对照组活得更长——并且在两天内，它们的大脑中出现了斑块7。Tanzi 说：“这真的很神奇。”
单纯疱疹病毒 1 型非常普遍，以至于全世界超过一半的人体内都有这种病毒。但 Mori 还想检测一下人疱疹病毒6型的效果，这种病毒在 10%的健康人大脑中都有发现，虽然通常水平较低，效果尚不清楚。
小鼠对人疱疹病毒 6 型感染有抵抗力，因此 Mori 的研究小组在人类神经细胞的 3D 培养中探究了这种病毒的影响，这种 3D 培养模拟了阿尔茨海默症某些方面的特征。正常情况下，这个迷你脑组织器官在培养六周后开始累积淀粉样斑块和 tau 蛋白缠结。但是，正如研究人员在老鼠身上看到的那样，在注射人疱疹病毒 6 型的两天后斑块就出现了7。
Moir 和 Tanzi 继续研究疱疹病毒对类脑器官中 tau 蛋白缠结形成的影响，以及缠结是否能阻止病毒在神经元中的传播。不幸的是，Mori 在 2019 年 12 月死于一场突发急疾，但是 Tanzi 说他的团队仍然在从事这项工作。
他说，到目前为止，他的概念验证实验的结果是，“如果你正在产生 β-淀粉样蛋白，你将在感染中存活得更好”。但他也承认，要找到真正的证据——看到感染引发淀粉样蛋白级联反应然后导致疾病——还有很长的路要走。
他说：“我们还没有看到确凿的证据。”目前还没有人知道 β-淀粉样蛋白的抗菌特性是否真的是作为正常生理过程的一部分在人体中部署的，也没有人知道它们在大脑防御机制的总体规划中有多重要。就像罕见的基因突变一样，感染可能是导致阿尔茨海默症发作的一种方式。
Tanzi 的实验室意识到，不管是什么引发了疾病的发生，在病人死亡时都可能已经不复存在了，因此他们正在开发分离和分析单个斑块的技术，看看是否有微生物被困在其中。他说，这更像是一种考古挖掘。
图.在阿尔茨海默病小鼠模型中，小神经胶质细胞聚集在斑块周围。
支持性研究
Tanzi 的工作还没有被独立复制，但其它实验已经为抗菌保护假说提供了间接支持。例如，位于加利福尼亚州南旧金山的生物技术公司 Genentech 的科学家表明，一种被称为 PILRA 的基因的突变（该基因在各种免疫细胞中表达），与阿尔茨海默病的风险降低有关8。这种基因产生一种蛋白质，帮助疱疹和其他病毒进入神经元，研究人员说这种基因突变可能阻止病原体的进入。
最有趣的是，纽约纪念斯隆凯特林癌症中心化学生物学家 Yue Ming Li 实验室 2020 年的一篇论文提供了一种可能将神经炎症与 β-淀粉样蛋白的产生联系起来的机制9。Li 的团队发现，当病毒进入大脑时，一种叫做 IFITM3 的蛋白质表达会被激活。这种蛋白质与一种淀粉样蛋白制造酶（称为 γ-分泌酶）结合，增加淀粉样蛋白的产生。
Li 和他的团队观察了来自脑库的样本，发现 IFITM3 基因的表达随着年龄的增长而增加。阿尔茨海默病患者的大脑中也高于对照组。更重要的是，在脑细胞的实验中，他们发现一种叫做干扰素的促炎细胞因子，增加了 IFITM3 和 β-淀粉样蛋白的水平（在人脑样本中同样如此。只要他们发现更多的 IFITM3，他们就会发现更多的干扰素）。
他们说，这一切都表明，这种蛋白质可能是炎症和淀粉样蛋白生成过程的中间环节。
Li 教授目前正在研究 IFITM3 是否能成为一种生物标志物，帮助决定哪些病人可能被招募进抗炎治疗或针对 γ-分泌酶的药物的临床试验。他还在探索这种蛋白质是否能成为药物开发的靶标。
De Strooper 说，这些研究结果“向前迈出了一大步”，因为它们揭示了许多复杂疾病（包括癌症）的特征。他说，这一过程“可能是由导致家族性阿尔茨海默病的突变引起的，这种突变导致更多的淀粉样蛋白引起炎症，也可能是感染引起炎症，这种炎症导致淀粉样肽过量产生。”
他说，如果这一点成立，那么对阿尔茨海默症的治疗将有重要意义，因为阻断 β-淀粉样蛋白的产生可能意味着感染突然能对大脑构成更大的威胁。“但这完全是推测，这取决于 β-淀粉样蛋白在大脑的全局防线中的重要性。”
一些研究人员仍然怀疑感染是引起阿尔茨海默症的主要原因。伦敦大学学院的 John Hardy 因在阿尔茨海默症方面的工作与 de Strooper 等人分享了 2018 年大脑奖（the 2018 Brain Prize）。他说，他“赌 5 英镑，而非 500 英镑”，赌抗菌素保护理论是正确的。
但是，他说：“我认为这一理论不会被证明，我不认为除了遗传学之外，关于阿尔茨海默症还有什么需要解释的。”
而英国爱丁堡大学的神经科学家 Tara Spires-Jones 表示，虽然目前的数据说明了感染通过制造炎症来引发一些阿尔茨海默症病例的可能性，但正常的衰老过程也可能是一种解释。她指出，老龄化是患上阿尔茨海默症的最大风险因素。“在我个人看来，随着年龄的增长，大脑中普遍存在的炎症更有可能是原因。”
然而，如果有正确的模型，一些科学家认为感染理论是可以证明的，即使也很难证明阿尔茨海默症病例中有多大比例是由微生物引起的。
Jacobson 被这些新的可能性所吸引，并希望开发一种狨猴模型来测试感染理论，因为这种小型灵长类动物比其他模型更准确地模拟了人类的阿尔茨海默病。Tanzi 正计划使用一种小鼠模型，它的淀粉样蛋白基因已经被换成了人类的等效基因，因此它能以正常的生理水平表达人类的 β-淀粉样蛋白。
除此之外，还有另一个关键步骤——重复出现有的研究结果。
至于 Norin 的奖金，到目前为止已有 40 名申请者提交了作品，希望能在 3 月份的挑战赛结果公布时拿到奖金。Norin 意识到这项任务的艰巨性。他说，微生物导致阿尔茨海默症的证据将会是“最难提供的证据”。
参考文献：
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1.Jamieson, G. A., Maitland, N. J., Wilcock, G. K., Craske, J. & Itzhaki, R. F. J. Med. Virol. 33, 224–227 (1991).
2.Readhead, B. et al. Neuron 99, 64–82 (2018).
3.Allnutt, M. A. et al. Neuron 105, 1027–1035 (2020).
4.Tzeng, N. S. et al. Neurotherapeutics 15, 417–429 (2018).
5.Soscia, S. J. et al. PLoS ONE 5, e9505 (2010).
6.Kumar, D. K. V. et al. Sci. Transl. Med. 8, 340ra72 (2016).
7.Eimer, W. A. et al. Neuron 100, 1527–1532 (2018).
8.Rathore, N. et al. PLoS Genet. 14, e1007427 (2018).
9.Hur, J.-Y. et al. Nature 586, 735–740 (2020).
原文链接：https://www.nature.com/articles/d41586-020-03084-9
作者｜Alison Abbott
编译｜Johnson
审校｜617
编辑｜笑咲