Nat Neurosci︱新发现！小胶质细胞促进Aβ病理向健康脑组织中播散

撰文︱Tong

责编︱王思珍

β-淀粉样蛋白（amyloid beta，Aβ）的聚集是阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease，AD）发病机制中重要的早期诱因，可导致神经纤维缠结、神经元功能障碍和痴呆[1]。其中大脑中的固有免疫细胞—小胶质细胞（microglia）被认为与Aβ斑块的清除密切相关。当脑内有Aβ斑块形成时，小胶质细胞会与Aβ亲密接触，并呈现出被激活的状态。这些激活态的小胶质细胞会吞噬并加工Aβ斑块，而处理Aβ斑块后的小胶质细胞则会死亡[2, 3]。最近有研究提示小胶质细胞在Aβ的播种（seeding）过程相关，但小胶质细胞在Aβ病理向其他脑区（包括健康脑区）播散的细胞机制，仍不清楚。

2021年11月22日，德国弗莱堡大学的Melanie Meyer-Luehmann实验室在Nature Neuroscience上发表了题为“Microglia contribute to the propagation of Aβ into unaffected brain tissue”的文章，揭示了小胶质细胞促进Aβ病理向健康脑组织中播散的机制[4]。

早在2003年，Mathias Jucker实验室发表在Nature Neuroscience的研究工作中观察到：移植进AD转基因模型小鼠APP23脑内的野生型（WT）小鼠的组织会被Aβ“入侵”，进而引起神经退行性变[5]，但Aβ究竟是如何侵入WT组织的，机制具体是什么，尚不清楚。为了弄清楚Aβ在组织间播散的机制，在此，研究者们将WT小鼠胚胎期的神经细胞移植到了AD小鼠5xFAD的皮层中，并对5xFAD小鼠大脑中Aβ的弥散情况进行了观察。结果发现，在移植4周后，被移植的WT组织中出现了Aβ斑块，而且Aβ斑块随着时间的推移逐渐增多（图1）。于是研究者们猜测：淀粉样前体蛋白（APP）和（或）Aβ是否通过转基因小鼠的宿主神经元顺行运输到被移植的WT神经元中呢？因此他们以Thy1-GFP/5xFAD小鼠（Thy1-GFP标记运动神经元和感觉神经元）为受体对象做了同样的移植实验，并观察Aβ的弥散情况。然而结果显示大多数GFP阳性的细胞都没有进入WT组织中（图2），这说明Aβ很可能不是通过神经元的轴突运输到WT组织的。

图1 移植区Aβ的量随时间增多

（图源：D’errico P et al., Nat Neurosci, 2021）

图2 Thy1阳性的细胞并未进入移植区

（图源：D’errico P et al., Nat Neurosci, 2021）

那么Aβ究竟是被如何扩散到移植区的呢？考虑到大脑中最重要的一类免疫细胞——小胶质细胞，与Aβ斑块有着十分除密切的关系[2, 3]。于是，接下来，研究者们将目光投向了小胶质细胞。他们向Cx3cr1^+/-/5xFAD小鼠脑内移植了WT小鼠胚胎期的神经细胞，并进行了后续的观察。在移植后两周，有大量的Cx3cr1阳性的细胞进入了移植区，并且大多都聚集在移植的边缘区域（图3），但这可能是由于移植引起的损伤造成的。而且移植区的小胶质细胞和非移植区的小胶质细胞的形态学和转录组学特征都非常相似（图4），这些结果说明原位的小胶质细胞有可能会迁移到移植区。

 图3 原位小胶质细胞会进入移植区

（图源：D’errico P et al., Nat Neurosci, 2021）

图4 移植区的小胶质细胞和移植区外的小胶质细胞形态及转录组学特征都很相似

（图源：D’errico P et al., Nat Neurosci, 2021）

由于小胶质细胞可以吞噬Aβ斑块[2, 3]，所以研究者们进一步推测：小胶质细胞会从原位的组织中吞噬Aβ并迁移到WT组织中，从而导致Aβ在WT组织中沉积。如果这个假说成立，那么调控小胶质细胞的吞噬功能或者迁移功能应该会影响Aβ在WT组织中的沉积。由于5xFAD小鼠对Aβ的吞噬能力随着年龄的增大而减弱，于是他们分别将WT小鼠胚胎期神经元移植到了年轻和年老的Cx3cr1^+//5xFAD小鼠脑内，结果发现老年Cx3cr1^+/-/5xFAD小鼠移植区的Aβ数量明显低于幼年小鼠（图5），这说明减弱小胶质细胞的吞噬能力会抑制Aβ向移植区的播散。

图5 老年5xFAD小鼠移植区Aβ数量低于年轻小鼠

（图源：D’errico P et al., Nat Neurosci, 2021）

那调控小胶质细胞的运动功能会对Aβ的传播有怎样的影响呢？研究者们利用小胶质细胞突起减少，并且其运动能力下降的Irf8^-/-/Cx3cr1^+/-转基因小鼠[6]进行了进一步的验证。研究者们同样将WT小鼠胚胎期的神经细胞移植到了Irf8^-/-/Cx3cr1^+/-/5xFAD小鼠脑内，该转基因小鼠的特征是小胶质细胞的进程减少和肿胀、以及运动能力降低。作者发现，与对照组相比，该小鼠模型脑内小胶质细胞不能进行迁移，因此迁移到WT移植区的小胶质细胞数量显著减少，且Aβ在WT移植区的沉积也明显减少（图6），这说明减弱小胶质细胞的运动能力会抑制Aβ向移植区的播散。此外作者也观察到，若完全消除小胶质细胞，仍存在局部的这种Aβ的播散，另一类重要的大脑神经胶质细胞——星形胶质细胞，很有可能在此过程中也发挥了局部功能。

图6 Irf8^-/-/Cx3cr1^+/-/ 5xFAD小鼠移植区Aβ沉积减少

（图源：D’errico P et al., Nat Neurosci, 2021）

为了进一步验证作者自己的观点，他们通过双光子在体成像的技术观察了Irf8^-/-/Cx3cr1^+/-/5xFAD小鼠和Irf8^+/+/Cx3cr1^+/-/5xFAD小鼠脑内小胶质细胞对Aβ传播的影响。他们发现，在给予激光刺激后，Irf8^+/+/Cx3cr1^+/-/5xFAD小鼠脑内携带有Aβ的小胶质细胞会快速地迁移到损伤区，并且Aβ会在损伤区逐渐聚集，但在Irf8^-/-/Cx3cr1^+/-/5xFAD小鼠中则几乎没有观察到这种现象（图7）。这些现象进一步验证了作者的观点，即Aβ被小胶质细胞转运到其他脑区。

图7 正常小鼠小胶质细胞会携带Aβ迁移至损伤区

（图源：D’errico P et al., Nat Neurosci, 2021）

图8 文章模式图：小胶质细胞促进Aβ病理向健康脑组织中播散

（图源：D’errico P et al., Nat Neurosci, 2021）

文章结论与讨论，启发与展望总之，这项工作证明了小胶质细胞作为载体将Aβ转运到正常脑组织中的重要性，并且发现了干预小胶质细胞的吞噬和迁移功能可以改善Aβ的病理性沉积，另外也发现了创伤会引起小胶质细胞对Aβ的转运（图8）。因此靶向小胶质细胞的功能也许是解决Aβ增殖的有力手段。

这项研究也提示我们：小胶质细胞是把“双刃剑”，一方面，小胶质细胞通过吞噬已有的Aβ斑块来抑制Aβ的扩散；另一方面，小胶质细胞又携带着被吞噬的Aβ将其播散到其他健康的大脑区域，引起新的Aβ的形成。

同时，这项工作也有一些问题，值得我们讨论：这项研究中使用的移植模型和激光损伤模型对于大脑来说都是一种损伤，这种损伤会潜在地引起其他脑区的小胶质细胞向损伤区的聚集，这可能是导致携带有Aβ的小胶质细胞向移植区/损伤区迁移的主要原因，那么，在生理性条件下，携带有Aβ的小胶质细胞是否也会向其他脑区迁移呢？或许我们应该选用更加接近生理条件的模型来观察小胶质细胞对Aβ的传播作用。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41593-021-00951-0

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参考文献（上下滑动查看）  

[1]Selkoe D J, Hardy J. The amyloid hypothesis of Alzheimer's disease at 25 years [J]. EMBO Mol Med, 2016, 8(6): 595-608.

[2]Mildner A, Schlevogt B, Kierdorf K, et al. Distinct and non-redundant roles of microglia and myeloid subsets in mouse models of Alzheimer's disease [J]. J Neurosci, 2011, 31(31): 11159-71.

[3]Baik S H, Kang S, Son S M, et al. Microglia contributes to plaque growth by cell death due to uptake of amyloid beta in the brain of Alzheimer's disease mouse model [J]. Glia, 2016, 64(12): 2274-90.

[4]D’errico P, Ziegler-Waldkirch S, Aires V, et al. Microglia contribute to the propagation of Aβ into unaffected brain tissue [J]. Nature neuroscience, 2021,

[5]Meyer-Luehmann M, Stalder M, Herzig M C, et al. Extracellular amyloid formation and associated pathology in neural grafts [J]. Nat Neurosci, 2003, 6(4): 370-7.

[6]Hagemeyer N, Kierdorf K, Frenzel K, et al. Transcriptome-based profiling of yolk sac-derived macrophages reveals a role for Irf8 in macrophage maturation [J]. EMBO J, 2016, 35(16): 1730-44.

制版︱王思珍

本文完