Nat Aging︱阿尔兹海默症新发现：一种不依赖于TREM2通路的骨髓源巨噬细胞的调节机制

撰文︱Tong

责编︱王思珍

阿尔兹海默症（Alzheimer’s disease，AD）是一种非常严重的神经退行性疾病，也是痴呆最常见的诱因。AD的病理特征包括β-淀粉样蛋白（Aβ）和神经元纤维缠结的沉积，同时伴有神经元营养不良以及神经炎症；临床表现包括认知障碍和进行性记忆丢失。淀粉样前体蛋白的胞外结构域经酶切割会产生可变长度的Aβ多肽，这些肽段具有不同的自聚性倾向和神经毒性，可聚集形成不可溶且对突触有毒性的低聚体[1]，也可聚集形成纤维，进而形成斑块[2]。

近些年来，针对病理性斑块和缠结的治疗没有取得很有效的进展，因此人们将目光投向了负责调控大脑稳态以及具有清除功能的细胞—小胶质细胞（microglia）。小胶质细胞在病理环境刺激下被激活。研究者将在5xFAD淀粉样病变（amyloidosis）小鼠模型中的小胶质细胞定义为疾病相关小胶质细胞（disease-associated microglia，DAM）[3, 4]。小胶质细胞由稳态向DAM转化的过程依赖于髓系细胞触发受体2（triggering receptor expressed on myeloid cells 2，TREM2）[3]，其被认为是晚发型AD的风险因子。

在病理条件下，由于血脑屏障的破坏，外周单核细胞来源的巨噬细胞（monocyte-derived macrophage，MDM）会浸润到中枢神经系统，并且在中枢神经系统损伤修复中起着至关重要的作用。在AD模型中，靶向程序性死亡受体1（programmed death 1，PD-L1）通路可以提高认知功能并改善大脑中的病理性改变[5-7]。然而，这个过程中MDM的变化尚不清楚，并且其与大脑中固有免疫细胞—小胶质细胞之间的关系也尚不清楚。

2021年12月20日，以色列雷霍沃特魏茨曼科学研究所的Assaf Weiner、Ido Amit、Michal Schwartz课题组合作在Nature Aging上发表了一篇题为“Alzheimer’s disease modification mediated by bone marrow-derived macrophages via a TREM2-independent pathway in mouse model of amyloidosis”的工作，发现靶向PD-L1能够改善AD小鼠认知功能、降低可溶性Aβ水平，并这个过程中MDM的激活与TREM2受体通路无关。

为了解释DAM和MDM对AD进程的贡献，研究者们首先观察了PD-L1的治疗是否会影响小胶质细胞。因此他们分别用PD-L1抗体和IgG2b抗体对Trem2^+/+5xFAD小鼠进行治疗，对治疗后14天的脑组织中CD45⁺的细胞进行了单细胞测序（图1 a），并对其中的小胶质细胞进行了进一步的分析（图1 b, c）。结果显示，与对照组相比，PD-L1组小鼠的DAM水平显著增高（图1 d）。那么MDM在浸润入脑组织后是否会和固有的小胶质细胞一样表现出DAM的表型呢？因此研究者们将带有绿色荧光标记的小鼠骨髓移植到了Trem2^+/+5xFAD小鼠体内，并按照相同的方式注射了抗PD-L1的抗体，并在治疗后14天通过流式细胞术分选出了CD45⁺ GFP⁺和CD45⁺的细胞，并进行了单细胞测序（图1 e）。结果显示，在所有的CD45⁺GFP⁺细胞中都没有观察到DAM的表型（图1 g）。这也就是说：MDM浸润入大脑后，并不会表现出DAM的表型，并且MDM的转录组学特征与任何一种小胶质细胞的表型都不一致。

图1 抗PD-L1治疗后DAM水平升高

（图源：Dvir-Szternfeld, R., et al., Nat Aging, 2021）

为了探究MDM在AD模型中的作用，研究者们分别用抗PD-L1或IgG2b抗体治疗了6-9月龄的Trem2^-/-5xFAD小鼠（无DAM），并在注射抗体27-30天对小鼠进行了行为学观察（图2 a）。结果发现，经过抗PD-L1抗体的治疗后，Trem2^-/-5xFAD小鼠在水迷宫实验（RAWM）中找到平台的时间短于对照组，新物体识别实验（NOR）中对新物体探索的时间久于对照组（图2 b, c）。这些结果表明抗PD-L1处理使Trem2^-/-5xFAD小鼠的认知能力得到了改善，并且MDM对小鼠认知能力的改善不依赖于TREM2。 

图2 抗PD-L1治疗改善了Trem2^-/-5xFAD和Trem2^+/+5xFAD小鼠的学习和认知功能

 （图源：Dvir-Szternfeld, R., et al., Nat Aging, 2021）

之前有研究表明，尽管Trem2^+/+5xFAD和Trem2^-/-5xFAD小鼠脑内可溶性Aβ的水平没有显著差异，但Aβ的清除依赖于TREM2受体[8, 9]。在此，作者发现，在抗PD-L1抗体处理后，Trem2^+/+5xFAD和Trem2^-/-5xFAD小鼠脑内可溶性Aβ的水平都显著降低了（图3 a, b），并且可溶性Aβ的含量与小鼠在水迷宫实验和新物体识别实验的表现具有相关性（图3 c, d）。这提示可溶性Aβ的水平可能和小鼠的认知能力之间存在着潜在的联系。

图3 抗PD-L1治疗组小鼠脑内可溶性Aβ的水平降低

 （图源：Dvir-Szternfeld, R., et al., Nat Aging, 2021）

为了进一步弄清楚MDM的功能，研究者们从7-9个月的抗PD-L1治疗组和对照组Trem2^+/+5xFAD和Trem2^-/-5xFAD小鼠中分离出了CD45⁺CD11b⁺Tmem119^neg/low的细胞，并对其进行了MARS-seq（massively parallel single-cell RNA sequencing）及Metacell分析。结果显示，在Trem2^+/+5xFAD和Trem2^-/-5xFAD的大脑中MDM和单核细胞的亚群没有表现出差异（图4 a-c），并且在Trem2^-/-5xFAD中没有DAM的存在。根据转录组学特性，作者将MDM可以分成了三个细胞亚群，三个亚群具有相似的转录组学特征，只有部分基因的表达水平存在差异（图4 d）。MDM-1亚群高表达包括编码清除受体的基因，如Stab1、Cd163、Mrc1和Msr1（图4 d, e），这可能有利于从大脑中清除错误折叠的神经毒性蛋白以及减少局部炎症。MDM-3亚群则高表达Ccr2，说明MDM-3亚群可能是新迁移入脑的细胞。MDM-2亚群则是介于MDM-1和MDM-3的一种中间状态（图4 d）。

图4 MDM在Trem2^-/-5xFAD和Trem2^+/+5xFAD小鼠中具有相似的转录组学特性

 （图源：Dvir-Szternfeld, R., et al., Nat Aging, 2021）

鉴于MDM在Trem2^-/-5xFAD和Trem2^+/+5xFAD小鼠中的表型相似，所以研究者们进一步用Trem2^-/-5xFAD小鼠研究了MDM在不依赖Trem2的情况下对AD的影响，尤其是对DAM的影响。他们假设：抗PD-L1治疗主要通过影响外周的作用促进MDM浸润入大脑，进而引起疾病的改善。同时用抗PD-L1和抗Ccr2抗体治疗6-9月龄的Trem2^-/-5xFAD小鼠（图5 a）。结果显示，使用抗Ccr2抗体之后，小鼠在新物体识别和水迷宫实验中的表现与IgG2b对照组一致（图5 b-e）。这意味着抗Ccr2处理消除了抗PD-L1抗体的有益作用。

图5 抗Ccr2处理消除了抗PD-L1抗体对Trem2^-/-5xFAD和Trem2^+/+5xFAD小鼠的有益作用

 （图源：Dvir-Szternfeld, R., et al., Nat Aging, 2021）

文章结论与讨论，启发与展望

总之，小胶质细胞和单核细胞源巨噬细胞（MDM）在AD中起重要作用。之前的研究表明了小胶质细胞的激活依赖TREM2受体[8, 9]。而本项研究证明了MDM的激活与TREM2无关，通过抗Ccr2抗体阻断单核细胞的迁移可以完全消除抗PD-L1治疗对Trem2^-/-5xFAD小鼠的认知改善作用。

这项研究支持了免疫系统促进MDM迁移入脑的观点，并且暗示了靶向MDM对于是否携带Trem2基因突变的病人都可能有效，那么将MDM作为外周免疫系统的靶点也可能是治疗AD的方法之一。但本项研究也存在一定的局限性。文章结果是在使用抗PD-L1抗体的基础上得出的，那么在没有使用抗PD-L1抗体时，抗Ccr2抗体是否也有类似的作用？还有待进一步的考证。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s43587-021-00149-w

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参考文献（上下滑动查看）  

[1] Ferreira, S. T., Lourenco, M. V., Oliveira, M. M., De & Felice, F. G. Soluble amyloid-beta oligomers as synaptotoxins leading to cognitive impairment in Alzheimer’s disease. Front. Cell. Neurosci. 9, 191 (2015).

[2] Bernstein, S. L. et al. Amyloid-beta protein oligomerization and the importance of tetramers and dodecamers in the aetiology of Alzheimer’s

disease. Nat. Chem. 1, 326–331 (2009).

[3] Keren-Shaul, H. et al. A unique microglia type associated with restricting development of Alzheimer’s disease. Cell 169, 1276–1290 (2017). 

[4] Oakley, H. et al. Intraneuronal beta-amyloid aggregates, neurodegeneration, and neuron loss in transgenic mice with five familial Alzheimer’s disease mutations: potential factors in amyloid plaque formation. J. Neurosci. 26, 10129–10140 (2006) 

[5] Baruch K, Deczkowska A, Rosenzweig N, et al. PD-1 immune checkpoint blockade reduces pathology and improves memory in mouse models of Alzheimer's disease [J]. Nat Med, 2016, 22(2): 135-7.

[6] Rosenzweig, N. et al. PD-1/PD-L1 checkpoint blockade harnesses monocytederived macrophages to combat cognitive impairment in a tauopathy mouse model. Nat. Commun. 10, 465 (2019). 

[7] Ben-Yehuda, H. et al. Key role of the CCR2-CCL2 axis in disease modification in a mouse model of tauopathy. Mol. Neurodegener. 16, 39 (2021). 

[8] Wang Y, Cella M, Mallinson K, et al. TREM2 lipid sensing sustains the microglial response in an Alzheimer's disease model [J]. Cell, 2015, 160(6): 1061-71.

[9]Griciuc, A. et al. TREM2 acts downstream of CD33 in modulating microglial pathology in Alzheimer’s disease. Neuron 103, 820–835 (2019). 

制版︱王思珍

本文完