Nature子刊以前所未有的细胞分辨率追踪阿尔茨海默病的“病理时钟”

艾伦脑科学研究所、华盛顿大学医学院和凯撒永久华盛顿健康研究所的研究人员创造了迄今为止最详细的阿尔茨海默病（AD）在细胞水平上的进展情况。

利用先进的单细胞基因组技术和新颖的机器学习模型，科学家们绘制了疾病细胞和分子变化的时间表。在这个过程中，他们确定了一种特定类型的抑制性神经元（表达生长抑素的抑制性神经元）是ad中最早丢失的细胞类型之一，这是一个令人惊讶的发现，可以突出未来治疗的潜在目标。

今天发表在《自然神经科学》杂志上的这项研究分析了来自84个阿尔茨海默病研究参与者捐赠的大脑中的340多万个细胞。通过西雅图阿尔茨海默病脑细胞图谱（SEA-AD）提供这个庞大的数据集，科学家们希望加速全球研究。西雅图阿尔茨海默病脑细胞图谱是由美国国家衰老研究所（NIA）支持的一个联盟。

艾伦研究所的主要作者和科学家Kyle Travaglini博士说：“结论是，这个图谱以前所未有的细胞分辨率描述了AD的进展，并确定了许多新的细胞和分子靶标，供该领域探索。” 

创建病理时钟

这项研究放大了大脑皮层中被称为颞中回（MTG）的区域，该区域与语言、记忆和高级视觉处理有关。MTG也是一个关键的过渡区，在这里，阿尔茨海默病的临床前病理，如有毒蛋白质片段的积累，过渡到与痴呆症相关的更晚期的神经变性。

为了探索这一进展，研究人员利用了由美国国立卫生研究院（NIH）大脑倡议细胞普查网络（BICCN）资助的单细胞和空间基因组学技术。他们使用这些工具绘制了AD大脑样本中MTG区域的活性基因、DNA结构和单个细胞的精确位置。然后，他们将这些数据与艾伦研究所团队及其BICCN合作者早些时候生成的大量细胞类型正常大脑参考图进行了比较。

“这项研究表明，由美国国立卫生研究院BRAIN计划提供的强大新技术正在改变我们对阿尔茨海默病等疾病的理解方式。有了这些工具，科学家们能够检测到大脑最早的细胞变化，从而更全面地了解整个疾病过程中发生的事情，”John Ngai博士说。“这项研究提供的新知识可能有助于世界各地的科学家和药物开发人员开发针对阿尔茨海默氏症和其他痴呆症特定阶段的诊断和治疗方法。”

84名研究参与者脑捐赠者来自华盛顿大学医学阿尔茨海默病研究中心（ADRC）和凯撒永久华盛顿成人思想变化（ACT）。捐赠者的范围从患有晚期阿尔茨海默氏痴呆症的人到没有阿尔茨海默氏症证据的未受损受试者。“通过研究各种阿尔茨海默病的研究对象，包括那些处于疾病早期阶段的研究对象，我们希望在一个人出现症状之前很久，就能在疾病过程的早期识别出脆弱的细胞，”华盛顿大学医学院神经病理学教授、南希和巴斯特·阿尔沃德教授C. Dirk Keene说。该团队还分析了详细的神经病理学数据，以沿着该队列特征的连续病理谱模拟疾病进展。

使用定制的机器学习工具来对齐数据集，他们构建了一个前所未有的高分辨率视图，以了解AD如何随着时间的推移影响不同的细胞群。

“你可以说我们创造了一个病理时钟，它不仅能告诉我们皮层区域发生了什么变化，还能告诉我们什么时候发生了变化，”艾伦研究所的主要作者和助理研究员Mariano Gabitto博士说。“我们现在有了一个框架来安排阿尔茨海默病随着时间的推移而增加的事件顺序。” 

早期和晚期影响

研究人员确定了阿尔茨海默病的两个不同阶段：在任何记忆或认知障碍出现之前，异常细胞变化的缓慢、早期积累，随后随着认知能力下降而迅速增加。

在早期阶段，他们发现大脑的免疫细胞（小胶质细胞）和支持细胞（星形胶质细胞）发生炎症变化，这与阿尔茨海默病的遗传风险研究中预期的一样，涉及这些非神经元细胞。他们还确定了疾病早期丢失的特定类型的神经元：一种特定类型的抑制性中间神经元，有助于抑制神经活动。

这些“SST神经元”（表达生长抑素的抑制性神经元）的丢失令人惊讶。艾伦脑科学研究所的高级研究员、SEA-AD团队的首席研究员Ed Lein博士说，该领域的大部分研究都集中在小胶质细胞和兴奋性神经元的缺失上，这些神经元在大脑皮层和其他大脑区域之间建立了远距离连接。相反，我们发现特定类型的抑制性神经元是大脑这部分最早的神经元损伤。

他们还观察到皮质少突胶质细胞的缺失，这种细胞隔离神经纤维，帮助加快大脑的交流。这种下降之后，修复程序被激活，以恢复这种绝缘。

随着疾病的进展，后期涉及更广泛的神经元损失，包括特定类型的兴奋性和抑制性神经元。引人注目的是，这些细胞损失的模式都集中在皮层的上层，这表明随着时间的推移，某些特别脆弱的细胞的损失会导致邻近细胞的损失，这是一连串的影响。

这些发现不仅描绘了阿尔茨海默病的进展，而且为早期干预提供了潜在的途径。

“诊断和治疗阿尔茨海默氏症的挑战之一是，大脑的大部分损伤在症状出现之前就已经发生了。检测这些早期变化的能力意味着，我们第一次可以看到在疾病的早期阶段一个人的大脑发生了什么，”美国国立卫生研究院国家衰老研究所所长理查德·j·霍兹医学博士说。“研究结果从根本上改变了科学家对阿尔茨海默病如何损害大脑的理解，并将指导这种毁灭性疾病的新治疗方法的开发。” 

我们能阻止阿尔茨海默氏症的第一张多米诺骨牌倒下吗？

作者说，这项研究的数据为阿尔茨海默病的发展提供了一种叙述：

大脑免疫细胞和支持细胞的变化会促进或失调炎症。这与SST神经元的早期丧失有关，而SST神经元是调节皮层兴奋和抑制平衡的独特角色。它们还参与注意力、感官输入的处理，以及协调大脑不同区域之间的远距离交流。

研究人员假设，失去这些细胞可能会引发多米诺骨牌效应，破坏抑制和兴奋之间的微妙平衡，并促使广泛的系统故障，最终导致广泛的神经元丢失和认知能力下降。

莱因强调，这种认为阿尔茨海默氏症是一种最终会破坏认知的电路紊乱的观点是推测性的。但这项新研究的细胞图谱支持重新构建阿尔茨海默氏症，而不仅仅是错误折叠蛋白质的病理学。“疾病的最初触发因素可能涉及病理蛋白质或小胶质细胞激活，但导致认知能力下降的是特定类型神经元及其连接的丧失。”Lein补充说，这种更细致的理解对于开发新的治疗方法也至关重要。目前针对阿尔茨海默病特征的治疗方法——淀粉样斑块和tau蛋白缠结——通常显示出适度的效果，并伴有严重的副作用。

如果我们能阻止第一个细胞多米诺骨牌倒下，也许我们就能阻止更广泛的退化。

Lein说：“有了这些信息，也许我们不仅可以瞄准像tau和淀粉样蛋白这样的分子，还可以瞄准脆弱的细胞类型。”“也许我们可以保护它们，防止它们退化——以及整个下游事件的连锁反应。”