科學家在首個阿爾茨海默病3D大腦模型中的驚人發現
2020年05月29日09:27

  來源:奇點網

  2020年,阿爾茨海默病依舊撲朔迷離。

  深耕幾十年的β澱粉樣蛋白和tau蛋白領域終點難尋,科學們不得不轉而用另一種角度去思考阿爾茨海默病的病因。

  2017年,科學家發現β澱粉樣蛋白其實是一種抗感染蛋白;2018年,來自中國台灣的隊列研究發現皰疹病毒感染竟會增加癡呆風險;同年,科學家揭示了兩種人類皰疹病毒(HHV)參與調控阿爾茨海默病相關基因的機製。

  這一切似乎都在暗示我們,阿爾茨海默病其實是存在特定病原體的,而這個幕後元兇就是生活中非常常見的皰疹病毒。

  近期,《科學進展》雜誌上發表了一項新的研究成果,科學家們發現,在人類誘導神經幹細胞(hiNSC)構成的3D大腦模型中,1型單純皰疹病毒(HSV-1)感染竟然能夠在完全沒有其他因素參與的情況下,誘導澱粉樣蛋白沉澱形成、神經膠質增生、神經炎症和神經功能下降——也就是阿爾茨海默病的標誌性病理變化![1]

  另外,這個3D模型也是第一個阿爾茨海默病的3D大腦模型,而且並不依賴與APP、PSEN1/2等相關基因突變,對未來的研究可以說是非常有力的工具。

HSV-1感染的細胞(圖源:wiki)
HSV-1感染的細胞(圖源:wiki)

  其實被認為與阿爾茨海默病有關的病原體並不少,例如肺炎衣原體、伯氏疏螺旋體(Borrelia burgdorferi)、光滑念珠菌( Candida glabrata)等等。最常被提到的則是以1型單純皰疹病毒(HSV1)和6型人類皰疹病毒(HHV-6)為主的皰疹病毒科。

  這些病毒很常見,據估計,90%的人到70歲時都會攜帶HSV-1,而幾乎每個嬰兒出生後都會感染HHV-6,這些病毒能夠靜靜地在我們體內潛伏數十年。

  今天主要介紹的HSV-1,是一種嗜神經雙鏈DNA病毒,主要存在外周神經中。HSV-1的激活可以沒有症狀,主要表現為唇部皰疹,極少數情況下也會發生單純皰疹性腦炎(HSE)——這說明,HSV-1是可以穿透血腦屏障的[2]。

  瞭解了單純皰疹性腦炎,就不由得人懷疑HSV-1與阿爾茨海默病的關繫了。通過對病例的觀察,我們可以發現,HSV-1感染腦部的區域與阿爾茨海默病病理髮生的腦區基本一致,而且腦炎患者也常常表現出典型的認知和行為障礙[3]。

  更進一步的研究發現,阿爾茨海默病患者的腦部存在HSV-1;而超過3萬人的中國台灣隊列更是明白指出,HSV-1感染會使癡呆風險上漲2.564倍,同時進行抗病毒治療則能降低九成風險。

  如果能夠從頭揭發HSV-1感染誘導人腦組織產生阿爾茨海默病的過程,那就可以說是徹底實錘了。

單純皰疹病毒(圖源:wiki)
單純皰疹病毒(圖源:wiki)

  但是這卻並不容易。

  目前,大多數體外的人類阿爾茨海默病模型主要依賴來自早發性阿爾茨海默病患者的細胞——換言之,其實就是靠APP、PSEN1、PSEN2這三種與β澱粉樣蛋白產生有關的基因的突變。雖然這確實可以一定程度上重現病理過程,但實際上這些患者只占全部患者的比例不到5%,這意味著很多潛在的環境因素和因果關係都被忽視了。

  這就是本次研究提出的模型的優越之處了。

  此前,研究團隊已經開發出了由真皮成纖維細胞重編程人類誘導神經幹細胞(hiNSC)的技術,這種hiNSC可以迅速擴增和分化,在沒有複雜分化方案和培養基要求的情況下,短短4天之內就能夠自發生成多種神經元和神經膠質細胞,而且它們對各種生長因子、藥物都很敏感,也很容易被寨卡病毒等嗜神經病毒感染[4]。

  將這種hiNSC植入生物材料製作的支架,並注入膠原蛋白凝膠,就能夠生成具有代表性大腦結構的體外3D人類大腦組織模型,觀察神經突觸、神經元網絡、電生理都不成問題。

3D模型的製造過程
3D模型的製造過程

  首先,hiNSC是的確可以被HSV-1感染的。在感染複數(MOI)為1的情況下,共培養24小時,幾乎100%的hiNSC都感染了HSV-1,病毒水平隨培養時間延長而增加。同時,感染細胞也能夠分泌HSV-1感染其他細胞。

  這表明低水平的病毒感染可以隨時間推移導致高水平感染,這也與臨床上患者的HSV-1感染再激活很像。

不同MOI下培養24小時的結果
不同MOI下培養24小時的結果

  高水平的病毒感染對hiNSC來說是致命的,MOI越高、細胞凋亡就越多,即使MOI為0.01的情況下也會導致大量細胞死亡,所以研究者採取極低MOI 0.0001感染細胞。

  有趣的是,研究者觀察到hiNSC一些特殊的變化。簡單來說,被感染的hiNSC形成了特殊的多細胞結構,與此前研究發現的阿爾茨海默病患者大腦中的合胞體相似[5]。感染時神經元越不成熟,形成的多細胞團塊結構就越大。

HSV-1感染導致的多細胞結構
HSV-1感染導致的多細胞結構

  通過特殊的螢光染色和ELISA,研究者發現在這些多細胞結構中存在澱粉樣蛋白原纖維,而且其中增加的主要是Aβ1-42,Aβ1-40則沒有變化,這也是和阿爾茨海默病的病理表現一致的[6]。

  經過qPCR,研究者發現,HSV-1會引起APP和BACE1表達的下調,以及PSEN1/2表達的上調。

  考慮到β澱粉樣蛋白沉澱並不是阿爾茨海默病唯一的病理特徵,研究者還分析了神經纖維纏結(NFT)的存在。結果,在SV-1感染的hiNSC中,澱粉樣蛋白原纖維的附近確實存在不少組成NFT的tau蛋白。

HSV-1導致β澱粉樣蛋白原纖維的出現
HSV-1導致β澱粉樣蛋白原纖維的出現

  既然β澱粉樣蛋白沉澱和神經纖維纏結這兩大主要特徵已經初露端倪,那麼阿爾茨海默病的其他病理變化自然也得檢查一下。

  在HSV-1感染後,hiNSC中多種膠質細胞的標誌物表達水平高度上調,而且由HSV-1誘導產生的神經膠質細胞表現出一種特殊的多核球狀,這也與阿爾茨海默病患者屍檢時發現的星形膠質細胞融合現像一致[7]。

  包括腫瘤壞死因子α(TNF-α)、白介素1β(IL-1β)、IL-6和干擾素γ(IFN-γ)在內的多種與阿爾茨海默病有關的炎性細胞因子也都在HSV-1感染之後表達驟升。

  作為類器官,HSV-1感染的3D模型也表現出了較弱的電生理活動,與阿爾茨海默病患者的腦功能受損相應。

電生理活動顯著降低
電生理活動顯著降低

  那麼,針對HSV-1的抗病毒治療是否能夠挽救“大腦”呢?

  研究者選擇了常見的抗病毒藥物VCV。結果顯示VCV能在降低HSV-感染的同時,也大幅度減少相關病理現象。值得注意的是,如果在HSV-感染之前給藥,那麼幾乎可以避免HSV-感染和病理現象的出現,但感染之後給藥,就只能逆轉一部分了。

  由此可見,低水平的HSV-1感染的確與阿爾茨海默病的發生密不可分。不過HSV-1感染其實也相當常見,其中更複雜的過程還需要進一步研究去探索。

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