撰文 | 阿童木
阿爾茨海默症（Alzheimer’s disease,AD）的臨床前期（preclinical phase）是指患者在出現明顯的認知或記憶障礙以前的階段。儘管此時還沒有顯著的臨床表現，但大腦中已經出現了與AD相關的病理變化，如β-澱粉樣蛋白（amyloid-beta,Aβ）斑塊的積聚和Tau蛋白纏結的形成。臨床前期AD可以持續多年甚至數十年，最終引發一系列複雜的病理反應，導致神經退行性病變，並逐步損害記憶和認知功能【1】。
在AD進展過程中，Aβ和Tau蛋白是兩種關鍵的異常摺疊蛋白。這些蛋白在正常情況下具有特定的三維結構，但在AD進展過程中會發生錯誤摺疊，形成病理性聚集體。這些聚集體像“種子”一樣，能夠誘導周圍正常蛋白質發生同樣的錯誤摺疊，形成更多的聚集體，進一步加劇病理過程【2】。
然而，是什麼啟動了這一病理級聯反應呢？基因分析表明，散發性AD的風險與主要在小膠質細胞和星形膠質細胞中表達的基因密切相關，這些細胞對Aβ的沉積有反應【3】。已確定的高危基因大多與免疫、脂質代謝和內吞途徑有關，其中載脂蛋白E（APOE）及其等位基因APOE4被認為是最具風險的【4】。在健康的中樞神經系統中，APOE主要由星形膠質細胞合成，透過在脂蛋白顆粒中溶解脂質來發揮作用，並透過受體介導的內吞作用支援細胞存活、突觸形成和膜擴張等過程。
除了在脂質穩態中的作用外，APOE在神經系統疾病中也起著關鍵作用。幾乎所有包括AD在內的中樞神經系統損傷，都伴隨小膠質細胞和星形膠質細胞的反應，並誘發脂質代謝途徑，尤其是APOE的上調。利用小鼠模型的研究表明，APOE缺失會減少Aβ纖維狀斑塊的沉積，提示APOE可能參與了Aβ纖維化、穩定化或壓實過程【4】。
2024年10月16日，慕尼黑工業大學Mikael Simons實驗室領銜在Immunity雜誌發表了題為Apolipoprotein E aggregation in microglia initiates Alzheimer’s disease pathology by seeding β-amyloidosis的研究文章。作者開發了表達HaloTag標記APOE的轉基因小鼠（ApoE-Halo），並優化了APOE的純化和檢測方法，從而能夠更精確地分析Aβ病變中的APOE作用。利用這一模型，作者發現APOE的纖維狀聚集體在小膠質細胞的內吞-溶酶體系統中誘導了Aβ澱粉樣變性，該過程受小膠質細胞脂質代謝和JAK/STAT訊號通路的調控。本研究揭示了小膠質細胞內APOE的聚集可能是Aβ斑塊形成和AD病理反應的初始驅動因素。
為改善APOE的視覺化和純化，作者構建了表達HaloTag標記的APOE轉基因小鼠模型（ApoE-Halo），並確認了HaloTag對Aβ代謝和脂質代謝沒有顯著影響。將ApoE-Halo小鼠與阿爾茨海默症模型小鼠（5xFAD）交配後，作者發現APOE在Aβ纖維沉積中有顯著定位，尤其在小膠質細胞中更為明顯。
透過HaloTag自標記技術，研究進一步明確了APOE在Aβ斑塊中的高特異性定位。隨著AD的進展，Aβ斑塊的纖維化加劇，APOE聚集也相應增加。Sarkosyl提取和免疫純化分析顯示，APOE聚集體呈現多聚體和纖維狀形態，且部分聚集體幾乎獨立於Aβ存在。這一發現不僅在小鼠模型中成立，也在AD患者的腦組織中得到了驗證。
為了驗證APOE聚集體在Aβ斑塊形成中的作用，研究人員透過將APOE聚集體注射到AD小鼠的大腦中，發現斑塊生成顯著增加，而去除APOE聚集體後，這一效應明顯減弱。這一結果進一步證實了APOE聚集體作為Aβ斑塊形成的關鍵輔助因子發揮了重要作用。此外，透過將APOE3和APOE4敲入小鼠與5xFAD小鼠雜交，作者發現無論是APOE3還是APOE4，都能作為Aβ斑塊形成的輔助因子，但APOE4較APOE3在促進Aβ聚集和斑塊生成上表現出更強的效力，表明APOE4在AD發病中的關鍵作用。
接下來，透過高解析度成像和3D渲染技術發現，APOE-Halo聚集體主要位於活化的小膠質細胞內，在不同AD小鼠模型和人類AD樣本中均可檢測到，且小膠質細胞記憶體在纖維狀聚集體，尤其在斑塊周圍。因此，APOE與小膠質細胞協同作用，共同促進了Aβ聚集體和澱粉樣斑塊的形成。
藥物實驗進一步表明，小膠質細胞的功能對於這些聚集體的形成至關重要，而溶酶體功能障礙和干擾素訊號的啟用則會加劇APOE聚集體的形成。不僅如此，使用JAK/STAT抑制劑進行治療能夠減少APOE依賴性聚集體和Aβ斑塊的形成。因此，干擾素和免疫訊號與溶酶體功能一道在APOE介導的聚集體形成中發揮了重要作用。
作者最後檢測了APOE與脂質結合在小膠質細胞內聚集體形成中的作用，發現脂質化的APOE比無脂質的APOE更易被細胞攝取，並增強了聚集體的形成。此外，膽固醇合成的減少會加速APOE聚集體的形成，並促進Aβ斑塊的積累。阻斷小膠質細胞中的膽固醇合成也會上調APOE受體的表達，進一步加速APOE聚集體的形成。
綜上所述，本研究揭示了阿爾茨海默症發展過程中澱粉樣變性及其早期病理機制，特別是載脂蛋白E（APOE）在這一過程中扮演的關鍵角色。透過開發APOE-Halo小鼠模型，作者揭示了APOE聚集體在小膠質細胞的內吞-溶酶體系統中誘導了Aβ澱粉樣變性，並探明瞭脂質代謝和免疫訊號對這一過程的調控作用。本研究闡釋了小膠質細胞對APOE的內吞和聚集可能是Aβ斑塊形成的初始驅動因素，為理解阿爾茨海默症的病理機制提供了新的視角。
https://doi.org/10.1016/j.immuni.2024.09.014
製版人：十一
參考文獻
1. Scheltens, P., et al. (2021). Alzheimer’s disease.Lancet397, 1577–1590.
2. Jucker, M., and Walker, L.C. (2013). Self-propagation of pathogenic protein aggregates in neurodegenerative diseases.Nature501, 45–51.
3. Sadick, J.S., et al. (2022). Astrocytes and oligodendrocytes undergo sub-type-specific transcriptional changes in Alzheimer’s disease.Neuron110, 1788–1805.e10.
4. Chen, Y., et al. (2021). Apolipoprotein E: structural insights and links to Alzheimer disease pathogenesis.Neuron109, 205–221.
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