在单细胞大脑图谱中追踪阿尔茨海默氏症的早期轨迹

神经胶质细胞的炎症和某些抑制细胞的丧失可能在诊断前几十年就开始了疾病级联。

　　

阿尔茨海默病诊断的认知能力下降就像熊熊大火的烟雾：当它显现出来的时候，损害已经开始了。这种损害包括β -淀粉样蛋白斑块和tau蛋白缠结的积累，它们会杀死海马体、内鼻皮层以及最终大脑其他部位的兴奋性神经元。但是这个损害是如何开始的，以及如何阻止它的发展，仍然是一个谜。

现在，两幅单细胞大脑图谱（一幅于上周发表在《Nature Neuroscience》杂志上，另一幅于8月发表在《Nature》杂志上）为这种疾病的发展提供了新的视角。这些图谱背后的团队沿着阿尔茨海默氏症的连续发展检查了死后样本，并使用单核RNA测序来估计伴随斑块和缠结的细胞步骤——即神经胶质的变化和某些抑制细胞的丧失。在此之前，去年发表的两篇单细胞图谱也描述了阿尔茨海默氏症早期星形胶质细胞、小胶质细胞和抑制细胞的变化，并构建了该疾病的发展轨迹。

上周发表在《Nature Neuroscience》的研究中，艾伦脑科学研究所的科学家Kyle Travaglini和他的同事分析了84名患者——这些患者从没有认知症状到表现出严重的认知衰退——大脑中颞回的单核数据。颞回是tau蛋白和淀粉样蛋白最先扩散的地方。该团队使用机器学习量化了每个样本中存在的斑块和磷酸化tau蛋白的水平，然后利用这些信息沿着拟时间轴对样本进行排序。

在8月份的研究中，哥伦比亚大学神经科学助理教授Vilas Menon和他的同事们检查了437名患有各种认知症状的人的背外侧前额叶皮层样本，这是阿尔茨海默病相关功能障碍的另一个部位，并根据样本中包含的细胞亚型对样本进行了组合。

在两个拟时间轴的早期阶段，在兴奋性细胞开始死亡之前，小胶质细胞和星形胶质细胞显示出炎症增加的迹象。

亮点：

2019年发表的对阿尔茨海默病中这种类型的首批分析之一显示，与24名淀粉样蛋白水平正常的人相比，24名淀粉样蛋白水平高的人的大脑中与髓鞘形成相关的转录本的非典型表达。第二年，另一组研究人员在14名患者的大脑中发现了一种小胶质细胞亚型，这种亚型发生了变化。早期的研究只观察了大约50个大脑，而最新的研究有更大的样本量，甚至可达到数百个。哥伦比亚大学神经科学助理教授Vilas Menon说：“这些是我们需要的样本量，可以真正解开细胞类型中可能发生的所有不同类型的变化。”他是8月份发表在《Nature》上的研究共同负责人。

单个细胞或细胞核的核酸测序可以指出在阿尔茨海默病中受到影响的特定细胞类型。过去的RNA测序工作着眼于诊断患者的单一时间点——即依赖于剖面数据。新一代的图谱，包括去年报道的两个，借用了发育生物学中的生物信息学工具，称为拟时间轴（pseudo-timeline）：一种算法沿着阿尔茨海默氏症的轨迹排列样本，然后团队可以使用它来评估转录本如何随着疾病的发展而变化。加州大学欧文分校（University of California, Irvine）神经生物学和行为学副教授Vivek Swarup评价说，这种新方法使探索细胞随时间变化如何导致这种疾病成为可能，“以一种更精确的方式”。

8月份发表在《Nature》上的研究另一位共同负责人，耶路撒冷希伯来大学（Hebrew University of Jerusalem）神经科学助理教授Naomi Habib说：“我认为非常令人兴奋的是，这些非常不同的算法方法实际上导致了类似的生物学和对阿尔茨海默氏症的见解。”炎症信号的出现并不令人惊讶，但这些变化发生的顺序似乎出乎意料。数据的因果中介模型显示，一种小胶质细胞亚群的炎症反应与斑块增加之间存在联系，另一种小胶质细胞亚群的激活与斑块向缠结的进展之间存在联系。从那里，星形胶质细胞介导了缠结增加和认知能力下降之间的联系。她说，这意味着这种炎症不仅是“附带损害”，而且是阿尔茨海默氏症发展的关键一步。

团队根据细胞亚型设置了时间轴，他们能够绘出大脑衰老的两条不同轨迹：一条是健康衰老，一条是与阿尔茨海默氏症相关的衰老。在后一种轨迹中，淀粉样蛋白的增加先于缠结的增加，然后是认知能力的下降；在健康衰老的轨迹中，淀粉样蛋白也存在——但级联反应没有被激活。

Habib补充说，研究结果为备受争议的淀粉样蛋白假说增添了细微的差别，淀粉样蛋白假说认为大脑中β淀粉样蛋白的存在是导致神经丝缠结和痴呆的原因。先前的死后大脑研究表明，没有阿尔茨海默氏症的人在大脑中也有淀粉样蛋白积聚，但不会变成致病性的。Habib的研究表明，导致这种疾病的并不是淀粉样蛋白本身，而是神经胶质细胞对它的反应，或者是在疾病早期发生的其他事情。“淀粉样蛋白可能是这个级联的开始，但细胞对这个级联的反应真正决定了大脑的命运。”分析这两种轨迹可以帮助未来的研究确定阿尔茨海默病特有的信号和那些只是健康衰老的信号。“我们以前所说的‘健康’可能包括健康和那些已经处于不同衰老路径的人，”这可能会给过去的分析增加噪音。

没有参与这项新研究的南加州大学老年学副教授Bérénice Benayoun,说，这一发现指出了超越神经元细胞死亡来了解阿尔茨海默氏症根本原因的重要性。她说：“神经元问题似乎在疾病的晚期才出现。”

尽管如此，两项新的研究都表明，在阿尔茨海默氏症的早期发展轨迹中，一些神经元亚群丢失了：例如，表达生长抑素（SST）的某些抑制性中间神经元的丰度异常低，甚至在斑块或缠结呈指数级增长之前，可能在一个人表现出这种疾病的认知迹象之前几十年。这些SST抑制细胞是维持神经元回路内稳态的“关键因素”，艾伦研究所助理研究员、上周研究的研究员Mariano Gabitto说，新的研究表明，SST细胞是治疗这种疾病的潜在治疗靶点。Kyle Travaglini表示：“100多年来，这个领域一直非常关注蛋白质病变，”比如淀粉样斑块和tau蛋白缠结。但是这些蛋白质影响的细胞，可能是比蛋白质本身更好的治疗目标。

SST中间神经元在阿尔茨海默氏症中很脆弱的想法并不新鲜。1985年，研究人员发现，与对照组相比，被诊断患有这种疾病的人体内的生长抑素受体浓度有所下降。根据2016年发表的一项研究，在阿尔茨海默氏症的小鼠模型中，SST中间神经元的一个子集功能失调。但根据上周的研究，空间转录组学的进步现在揭示了大脑中这些细胞首先死亡的地方。Gabitto说：“并不是所有的SST神经元都在死亡，只是浅层神经元的一部分。”

这项新发现与2011年的一项研究结果不一致，2011年发表的那项研究指出，在这种疾病的早期阶段，兴奋细胞会受到损害。耶鲁大学医学院（Yale School of Medicine）神经科学教授Amy Arnsten说，这可能是因为RNA测序无法评估表明这种降解的翻译后修饰。她没有参与这项研究。“我认为这些论文给人一种错误的印象，即兴奋性细胞还没有处于炎症状态，”她说。

Benayoun补充说，另一个缺点是研究小组没有分析疾病发展过程中的性别差异。根据阿尔茨海默病协会的数据，大约三分之二的阿尔茨海默病患者是女性。“我们还知道，男女衰老的方式存在根本差异。”

 Travaglini表示，随着数据的增加，研究小组的目标是使研究对象多样化，这将有助于了解这些变化是如何因性别和种族而不同的。“我们知道有不同的影响，”他补充说。这两个团队计划将他们的数据集结合起来，以增加他们的总样本量。