阿尔茨海默氏症的新分子驱动因素

　　

根据美国疾病控制和预防中心的数据，目前至少有580万美国人患有阿尔茨海默病，这是最常见的痴呆症。阿尔茨海默氏症无法治愈，部分原因是科学家还没有完全了解导致这种疾病的原因。但斯克里普斯研究所的一项新研究揭示了可能导致阿尔茨海默病进展的分子驱动因素。

在2024年5月21日发表在《Advanced Science》杂志上的这项研究中，研究人员使用了一种新技术来研究受阿尔茨海默病影响的单个活脑细胞。通过测量单个神经元的电活动和这些神经元内的蛋白质水平，科学家们发现了与阿尔茨海默病有关的新分子。希望这些分子将来能成为治疗或减缓神经退行性疾病进展的药物靶点。

斯克里普斯研究中心的教授们密切合作，包括临床神经学家Stuart Lipton(医学博士)、蛋白质专家John Yates(博士)和生物信息学家Nicholas Schork(博士)(他也是转化基因组学研究所(TGen)定量医学的副主任和杰出教授)，使科学家们能够开发出这项生物技术壮举。

“我们可以拿一个细胞，测量它的电活动在百万分之一安培的数量级上，然后观察同一细胞内的数千种蛋白质，让我们找到驱动阿尔茨海默氏症相关异常电活动的蛋白质，这对我来说是令人难以置信的，”资深作者Stuart Lipton说，他也是Step Family Foundation的教授和斯克里普斯研究中心神经变性新药中心的联合主任。“但这种方法的美妙之处在于，它让我们发现了阿尔茨海默病和相关痴呆症的新靶点。”

Stuart Lipton和其他人之前的研究表明，阿尔茨海默病患者大脑中的某些神经元变得过度活跃，发出的电信号比平时更强或更频繁。有证据表明，这种过度活动(也被称为过度兴奋性)导致了与阿尔茨海默氏症相关的认知能力下降。

在这项新研究中，Lipton和同事开发了一种系统，科学家可以对单个脑细胞进行精确测量，然后将受阿尔茨海默病影响的脑细胞与健康细胞进行比较。Lipton的研究小组之前开发了精确测量神经元电活动的方法，他们与Yates合作，使用质谱法识别每个神经细胞中超过2250种蛋白质的水平。质谱法可以从细胞中识别和定量蛋白质，但这些分析传统上是在大量收集的细胞上进行的。最近的进展允许在单细胞水平上进行测量。

在被称为单细胞(sc)膜片钳/蛋白质组学（Patch-Clamp/Proteomics）的新系统中，一个充满盐溶液的微小玻璃管被用作电极来测量细胞的电活动，然后提取细胞用于质谱研究蛋白质。

“这种方法使我们能够将电功能的扰动与神经元中的分子事件联系起来，这是蛋白质组学的一个令人兴奋的应用，”Yates说。

科学家们分析了大约150个神经元的电模式和蛋白质水平，然后使用由Schork应用的计算工具来发现过度兴奋性和异常蛋白质水平之间的联系。他们确定了近50种蛋白质，与健康细胞相比，在过度兴奋的阿尔茨海默氏症细胞中，这些蛋白质的水平更高或更低。

Lipton说:“其中一些蛋白质已经被认为与阿尔茨海默氏症有关，但许多蛋白质还没有被发现。”

这些蛋白质参与了神经元的许多不同功能，包括控制自由基中的电子(氧化还原调节剂)、能量代谢和炎症。其中15种蛋白质在阿尔茨海默氏症的神经元中含量特别高或特别低，Lipton的研究小组正计划对其中一些分子进行后续研究。

他还计划扩大scPatch-Clamp/蛋白质组学在药物筛选中的应用，测试潜在的阿尔茨海默病药物是否能同时修复神经元的过度兴奋性和异常的蛋白质水平。他正在将这些发现与从阿尔茨海默氏症患者身上获得的更大组脑细胞的实验联系起来，这些脑细胞被称为大脑类器官，或“迷你大脑”。

Lipton解释说:“一个细胞并不总是能说明整个故事。“阿尔茨海默氏症的一些功能障碍与细胞之间的相互作用有关，所以如果我们能在一个迷你脑类器官中重复这种研究，我们可能会有更多的发现。”

Lipton指出，这种方法可以应用于其他脑相关疾病的药物发现工作。

“这种个性化医疗的新方法——基于单个阿尔茨海默氏症神经元的蛋白质表达和电活动——可能会彻底改变这种疾病以及其他神经系统疾病的药物发现，这些疾病远远落后于其他治疗领域，”他补充说。

Single-Cell Patch-Clamp/Proteomics of Human Alzheimer's Disease iPSC-Derived Excitatory Neurons Versus Isogenic Wild-Type Controls Suggests Novel Causation and Therapeutic Targets