Mol Neurodegener︱HIV治疗新突破！CCR5拮抗剂缓减了HIV诱导的AD样神经病变
撰文︱孙 勋
责编︱王思珍
人类免疫缺陷病毒-1（HIV-1）是造成人类免疫系统缺陷的一种逆转录病毒，HIV-1通过将其包膜糖蛋白与CD4受体和协同受体CCR5（C-C趋化因子受体5）和CXCR4（C-X-C趋化因子受体4）结合进入靶细胞[1]。CCR5热带病毒株和CXCR4热带病毒株分别靶向CCR5和CXCR4作为其协同受体进入并感染靶细胞。在HIV感染者中，CCR5热带病毒在感染早期占优势，而CXCR4病毒通常在感染后期出现。CCR5在脑内皮细胞、T细胞、树突状细胞和白细胞中高度表达[2]。鉴于CCR5在HIV-1传播、感染和疾病进展中的重要性，CCR5已成为HIV/AIDS预防和治疗的主要靶点。马拉维诺克（Maraviroc，MVC）是一种小分子CCR5拮抗剂，具有良好的安全性、药代动力学和药效学，经FDA批准用于治疗CCR5热带HIV病毒感染[3,4]。
HIV感染会导致血脑屏障（BBB）损伤，病毒进入中枢神经系统（CNS），感染脑内的胶质细胞[5–7]，脑内病毒及病毒蛋白的大量产生和释放，以及炎症和氧化应激水平的增加，都会导致神经元的损伤和死亡[5–7]。这些脑部病变会导致行为、运动和认知异常，称为HIV相关神经认知障碍（HIV-associated neurocognitive disorders，HAND）[5,7,8]，尸检研究显示，HIV感染者脑内存在阿尔茨海默病（AD）样病变，包括β-淀粉样蛋白（Aβ）增加、神经元和血管周围淀粉样蛋白斑块形成、Tau蛋白过度磷酸化以及神经纤维缠结（NFT）形成[9-12]。现阶段研究认为脑内AD样神经病变与脑内高病毒载量有关。但HIV感染引起HAND病变相关的分子机制尚不清楚，且MVC用于治疗HAND病变的效果和机制也不清晰。
近期，来自美国内布拉斯加大学医学中心的Biju Bhargavan（第一作者）、Georgette D. Kanmogne（通讯作者）等人在Molecular Neurodegeneration上发表了题为“CCR antagonist reduces HIV-induced amyloidogenesis, tau pathology, neurodegeneration, and blood-brain barrier alterations in HIV-infected hu-PBL-NSG mice”的最新研究论文。该论文表明了在HIV感染的人源化HIV/AIDS小鼠模型中出现了AD样神经病变，且CCR5拮抗剂MVC通过LRP1途径，增加了Aβ由CNS向外周的转运，降低了CNS中Aβ水平，减少了HIV诱导的tau过度磷酸化及BBB和神经元损伤，同时减弱了HIV诱导的免疫抑制，降低了全身和脑内病毒载量。因此以CCR5为靶点的治疗可以减少HIV诱导的AD样神经病变。
首先，作者将人外周血淋巴细胞（peripheral blood lymphocytes，PBL）腹腔接种到NSG小鼠中从而构建含人PBL的人源化HIV/AIDS小鼠模型（hu-PBL-NSG）。HIV-1感染后用MCV（120 mg/kg，2次/天）治疗，实验动物共四组，分别为未感染对照组（PBS）、感染未治疗组（HIV）、感染且治疗组（HIV-MVC）和未感染治疗组（MVC）。HIV感染3周后处死，通ELISA、RNAscope和qPCR测定血液病毒载量，通过免疫组织化学、免疫印迹和qPCR对脑组织中Aβ42、磷酸化Tau、神经元标记物（MAP2、NeuN、神经丝-L）、γ-分泌酶激活蛋白（GSAP）和BBB紧密连接蛋白的表达和转录进行定量分析。探究在人源化的hu-PBL-NSG小鼠模型中是否发生AD样病变，并评估CCR5拮抗剂MVC对体内HIV诱导的AD样病变的影响（图1）。
图1 hu-PBL-NSG小鼠造模及实验流程示意图
（图源：Biju Bhargavan. et al., Mol Neurodegener, 2021）
HIV感染可减少CD4+ T细胞，增加CD8+ T细胞。为了评估HIV感染和MVC治疗对动物免疫系统的影响，作者检测了感染前和感染后小鼠血液中人源（hCD45+、hCD3+、hCD4+和hCD8+）细胞的水平。HIV感染2周后，与其他组相比，HIV组表现出严重的免疫抑制，hCD4+ T细胞数量显著降低（图2 a-b）。在第3周时，与HIV组相比，经治疗的HIV-MVC组hCD4+ T细胞增加了4倍（图2 b）。以上数据表明：MVC降低了HIV诱导的免疫抑制。HIV感染前，各个实验组之间hCD8+ T细胞的水平没有显著差异（图2 c-d）。HIV感染后HIV组中hCD8+ T细胞明显增加，在第3周时，与HIV组相比，经治疗的HIV-MVC组hCD8+ T细胞明显减少（图2 d）。以上数据表明：MVC降低了HIV诱导的hCD8+ T细胞的增加。HIV感染前，各个实验组之间hCD4+/hCD8+ T细胞无显著差异。HIV感染导致hCD4+/hCD8+ T细胞降低，与HIV组相比，经治疗的HIV-MVC组hCD4+/hCD8+ T细胞明显增加（图2 e, f）。以上数据表明：MVC消除了HIV诱导的hCD4+/hCD8+ T细胞的降低。
图2 MVC减弱了HIV感染小鼠的免疫抑制
（图源：Biju Bhargavan. et al., Mol Neurodegener, 2021）
为了评估HIV感染和MVC治疗对BBB的影响，作者检测了脑组织中内皮细胞紧密连接蛋白claudin-5、ZO-1和ZO-2的表达。免疫组织化学、免疫荧光和western blot结果显示，与其他组相比，在HIV组中，claudin-5（图3 a, b）、ZO-1（图3 e, f）和ZO-2（图3 i, j）的表达显著降低，表明：HIV感染诱导了BBB相关蛋白的表达水平下调。与未治疗的HIV组相比，经治疗的HIV-MVC组中的claudin-5、ZO-1和ZO-2的表达水平得到了恢复。以上结果表明，MVC阻止了HIV诱导的BBB改变。
图3 MVC消除了HIV引起的BBB改变
（图源：Biju Bhargavan. et al., Mol Neurodegener, 2021）
为了评估HIV感染和MVC治疗对神经元的影响，作者检测了脑组织中神经元细胞骨架蛋白（MAP2）、细胞核（NeuN）和轴突（NF-L）标记物的表达。免疫组织化学和western bolt结果显示，与对照组（PBS或MVC组）相比，HIV组中MAP2（图4 a-e）和NeuN（图4 f-j）的表达水平显著降低，经治疗的HIV-MVC组中MAP2和NeuN的表达水平得到上调。qPCR结果也显示HIV感染使MAP2 mRNA水平降低了90%（图4 e），NeuN mRNA水平减少了28%（图4 j），经治疗的HIV-MVC组中MAP2 mRNA（图4 e）和NeuN mRNA（图4 j）的水平得到上调。
图4 MVC阻止HIV诱导的神经标记物MAP2和Neu的下调
（图源：Biju Bhargavan. et al., Mol Neurodegener, 2021）
免疫荧光和western blot结果显示，与对照组（PBS和MVC）相比，HIV组中NF-L的表达水平显著降低（图5 a-d）；与HIV组相比，经治疗的HIV-MVC组的NF-L水平增加得到了恢复。qPCR结果也显示HIV感染使NF-L mRNA水平显著降低，HIV-MVC组的NF-L mRNA水平得到了恢复（图5 e）。以上数据表明，MVC减少了HIV诱导的神经元损伤。
图5 MVC预防HIV诱导的神经丝-L（NFL）下调
（图源：Biju Bhargavan. et al., Mol Neurodegener, 2021）
HIV相关神经认知障碍（HAND）病变与AD样病变相似，其特征是中枢神经系统中Aβ的积累和Tau过度磷酸化。免疫组织化学（图6 a-c）和western blot（图6 d, e）结果显示，对照组PBS组和MVC组中没有Aβ42的积累，但HIV组中显示出Aβ42的形成和积累增加（图6 a-e）。GSAP的qPCR结果显示，与对照组相比，HIV组中的GSAP mRNA增加（图6 f）。ELISA检测到血浆中Aβ42的水平增加了3倍（图6 g）。以上数据表明：HIV-1感染增加了CNS和血浆的Aβ水平，且增加了CNS的GSAP水平。此外，qPCR（图6 f）、免疫组织化学（图6 a-c）和western blot（图6 d, e）结果显示，与HIV组相比，HIV-MVC组脑组织中GSAP mRNA、Aβ42水平显著降低，但HIV组和HIV-MVC组的血浆中Aβ42高于对照组。以上数据表明：MVC减少了HIV诱导的GSAP和CNS中Aβ的形成，但增加了血浆Aβ水平。
图6 MVC降低了HIV诱导的CNS中 GSAP和Aβ的增加，但增加了血浆中Aβ水平
（图源：Biju Bhargavan. et al., Mol Neurodegener, 2021）
紧接着，作者检测了总tau和各个位点tau磷酸化的水平，免疫组织化学和western blot结果显示，各个实验组的总tau蛋白水平相似；HIV组中，HIV感染使得Tau在Thr181（图7 e, f）、Ser396（图7 g, h）、Ser199（图7 g, i）、Thr231（图7 g, j）位点的磷酸化水平增加。但HIV感染对Thr205的Tau磷酸化没有影响（图7K）。因此，HIV-1感染增加了CNS tau磷酸化。与HIV组相比， HIV-MVC组中pTau（Thr181、Ser396。Ser199、Thr231）水平显著降低（图7 e-k），但HIV-MVC组中pTau（Thr205）水平没有影响（图7g, k）。因此，MVC降低了HIV诱导的CNS tau磷酸化。
图7 MVC降低了HIV诱导的Tau磷酸化
（图源：Biju Bhargavan. et al., Mol Neurodegener, 2021）
综上所述，该研究利用人源化HIV/AIDS小鼠模型（hu-PBL-NSG）证明了：1）HIV感染的人源化hu-PBL-NSG小鼠模型中出现了AD样病变，包括hCD4+ T细胞数量和hCD4+/hCD8+ T细胞比值的降低，Aβ的积累和Tau过度磷酸化，BBB通透性和神经元的损伤。2）CCR5拮抗剂MVC对体内HIV诱导的AD样病变有较好的治疗效果，MVC治疗后缓减了HIV引起的免疫抑制，降低了血液和脑内病毒载量，改善了BBB的通透性，减少了HIV诱导的Aβ42和磷酸化Tau的增加。3）MVC治疗降低了CNS中的Aβ水平，但血浆Aβ水平较高，且MVC降低了脑内皮细胞中晚期糖基化终产物受体（RAGE）和增加了低密度脂蛋白受体相关蛋白-1（LRP1）的表达。表明MVC通过LRP1途径增加了Aβ外流和跨内皮细胞的Aβ转运。总之，该研究证明以CCR5为靶点的治疗策略可以改善HIV诱导的AD样中枢神经系统病变。
原文链接：https://doi.org/10.1186/s13024-021-00500-0
【1】PNAS︱ 新发现！一种调节脑内神经元发育和促炎反应的小胶质细胞亚型
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【4】Nature︱新发现！海马体空间选择性的局部回路放大作用
【5】PNAS︱周健等人揭示Rett综合征及相关神经发育疾病的共同分子机制
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【7】Nat Protoc︱无线光遗传学器件在解析行为神经编码中的巨大应用前景
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1. Wilen CB, Tilton JC, Doms RW. Molecular mechanisms of HIV entry. Adv Exp Med Biol. 2012; 726:223–42.
2. Kanmogne GD, Schall K, Leibhart J, Knipe B, Gendelman HE, Persidsky Y. HIV-1 gp120 compromises blood-brain barrier integrity and enhances monocyte migration across blood-brain barrier: implication for viral neuropathogenesis. J Cereb Blood Flow Metab. 2007; 27:123–34.
3. Woollard SM, Kanmogne GD. Maraviroc: a review of its use in HIV infection and beyond. Drug Des Devel Ther. 2015; 9:5447–68.
4. AIDSinfo: FDA-Approved HIV Medicines. US-DHHS; 2020.
5. Zayyad Z, Spudich S. Neuropathogenesis of HIV: from initial neuroinvasion to HIV-associated neurocognitive disorder (HAND). Current HIV/AIDS Rep. 2015;12(1):16–24.
6. Rao VR, Ruiz AP, Prasad VR. Viral and cellular factors underlying neuropathogenesis in HIV associated neurocognitive disorders (HAND). AIDS Res Ther. 2014; 11:13.
7. Saylor D, Dickens AM, Sacktor N, Haughey N, Slusher B, Pletnikov M, et al. HIV-associated neurocognitive disorder--pathogenesis and prospects for treatment. Nat Rev Neurol. 2016; 12:234–48.
8. Heaton RK, Clifford DB, Franklin DR Jr, Woods SP, Ake C, Vaida F, et al. HIVassociated neurocognitive disorders persist in the era of potent antiretroviral therapy: CHARTER study. Neurology. 2010; 75:2087–96.
9. Giometto B, An SF, Groves M, Scaravilli T, Geddes JF, Miller R, et al. Scaravilli F: Accumulation of β-amyloid precursor protein in HIV encephalitis: Relationship with neuropsychological abnormalities. Ann Neurol. 1997;42: 34–40.
10. Esiri MM, Biddolph SC, Morris CS. Prevalence of Alzheimer plaques in AIDS. J Neurol Neurosurg Psychiatry. 1998; 65:29–33.
11. Green DA, Masliah E, Vinters HV, Beizai P, Moore DJ, Achim CL. Brain deposition of beta-amyloid is a common pathologic feature in HIV positive patients. Aids. 2005; 19:407–11.
12. Achim CL, Adame A, Dumaop W, Everall IP, Masliah E. Increased accumulation of intraneuronal amyloid beta in HIV-infected patients. J NeuroImmune Pharmacol. 2009; 4:190–9.
制版︱王思珍
本文完