重磅发现！小分子 CP2 或成阿尔茨海默病 “救星”，重塑突触与线粒体功能

为解决 AD 治疗难题，梅奥诊所研究人员开展 CP2 对 APP/PS1 小鼠突触和线粒体影响的研究。结果发现 CP2 能恢复突触数量和线粒体分布。推荐阅读，它为 AD 治疗提供新思路，助力探寻有效疗法。

　　

在神经科学的研究领域中，阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease，AD）一直是一个令人头疼的难题。这是一种神经退行性疾病，患者会逐渐出现认知能力下降、记忆力减退等症状，严重影响生活质量，最终可能因各种并发症离世。众多研究发现，AD 患者大脑中突触损伤增加、突触数量减少，这与他们的认知功能障碍密切相关。突触，作为神经元之间传递信息的 “小驿站”，在认知过程中起着关键作用。了解突触的结构、分布和功能，以及与突触相关的细胞器的情况，对于揭示 AD 的发病机制和寻找潜在治疗方法至关重要。

过去，人们认为 AD 患者大脑中淀粉样 β（Aβ）斑块和过度磷酸化的 Tau（pTau）蛋白的过度积累，是导致突触和树突棘（Dendritic Spines，DS）功能障碍的 “罪魁祸首”。随着这些异常蛋白在神经元内和周围不断堆积，DS 的数量和大小、突触小泡的移动、线粒体在突触处的定位、突触的稳定性以及认知功能都会受到影响。基于此，人们尝试开发针对这些致病蛋白的免疫疗法，希望能缓解 AD 症状。然而，令人失望的是，这些免疫疗法效果并不理想，患者的生活质量改善有限，还常常伴随着严重的副作用。于是，科学家们开始将目光投向 AD 病因的其他方面，比如线粒体功能在维持突触和神经元健康中所起的作用。

线粒体，这个细胞中的 “能量工厂”，对于突触功能至关重要。它在神经元细胞体中产生后，会沿着微管运输到能量需求较高的突触前和突触后区域。在突触处，线粒体为神经递质的包装、突触小泡的释放、神经递质的再摄取等过程提供能量，还能调节钙离子平衡，维持突触的正常功能。此外，线粒体还能与细胞核、内质网等其他细胞器 “交流”，共同维持细胞的能量平衡。在 AD 患者的大脑中，线粒体功能出现异常，会导致 ATP 合成减少、活性氧（ROS）生成过多、钙离子稳态失衡等问题，进而影响神经元的整体健康。而且，线粒体形态也会发生显著变化，从正常形态变得短而宽或碎片化。

此前，研究人员发现了一种小分子三环吡喃酮化合物（代号 CP2），它能够穿过血脑屏障并在线粒体中积累，抑制电子传递链中的复合物 I（MCI）。研究表明，CP2 在治疗相关浓度下能抑制约 15% 的 MCI 活性，避免了大量 ROS 的产生和糖酵解的转换。长期给转基因 AD 小鼠使用 CP2，无论是在胚胎期、症状出现前还是症状出现后，都能显著减少 Aβ 和 pTau 的积累，减轻炎症和氧化应激，改善神经元的葡萄糖代谢，恢复能量平衡和突触功能。不过，CP2 治疗后突触结构的变化还没有得到深入研究。

为了进一步探究 CP2 对 AD 小鼠突触和线粒体的影响，梅奥诊所（Mayo Clinic）的研究人员在《Scientific Reports》期刊上发表了题为 “Mild inhibition of mitochondrial complex I restores synapses and mitochondrial distribution in APP/PS1 mice” 的论文。他们通过一系列实验，发现 CP2 治疗能够恢复 APP/PS1 小鼠海马体中的突触数量和线粒体分布，为 AD 的治疗提供了新的思路和潜在靶点。

在这项研究中，研究人员主要运用了以下几种关键技术方法：一是使用连续块面扫描电子显微镜（serial block-face scanning electron microscopy，SBFSEM）和三维电子显微镜重建（three - dimensional electron microscopy reconstruction，3D EM reconstruction）技术，对小鼠大脑海马体组织进行成像和分析，观察突触和线粒体的结构、分布和形态；二是采用下一代 RNA 测序（next - generation RNA sequencing，RNA - seq）技术，分析小鼠大脑组织中基因表达的变化；三是利用蛋白质免疫印迹（Western blot analysis）技术，检测相关蛋白的表达水平。

下面让我们一起来看看具体的研究结果：

1. 慢性 CP2 治疗恢复 APP/PS1 小鼠海马体中的突触数量：研究人员此前发现 CP2 治疗能改善 AD 小鼠的突触功能，增强长时程增强（LTP），提高突触蛋白的水平，并改善行为测试中的认知结果。为了更直观地观察 CP2 对突触密度和线粒体分布的影响，他们利用成熟的实验方案，对 9 个月大的 APP/PS1 和非转基因（NTG）雌性小鼠分别给予 CP2（25 mg/kg/ 天）或对照剂处理，持续至 24 个月大。之后，选取小鼠海马体 CA1 区域进行 SBFSEM 和 3D EM 重建分析。他们发现，APP/PS1 小鼠大脑中的突触数量相比 NTG 小鼠显著减少，而 CP2 治疗能使 APP/PS1 小鼠的突触数量恢复到 NTG 小鼠的水平。此外，大多数突触为不对称突触，CP2 治疗并未改变对称和不对称突触的比例，这表明 CP2 治疗在恢复突触数量的同时，不会影响突触的结构。
2. CP2 治疗恢复 APP/PS1 小鼠突触处的线粒体分布：线粒体是突触的重要组成部分，其形态和分布在树突（突触后）和轴突（突触前）区域有所不同。研究人员通过对不同成熟度的 DS（薄型、蘑菇型和短粗型）进行分析，发现 NTG 小鼠树突中的 DS 主要由 III 型线粒体支持，而 APP/PS1 小鼠树突中的线粒体分布发生了显著变化，I 型和 II 型线粒体增多，III 型线粒体减少，且蘑菇型 DS 处的线粒体数量翻倍。CP2 治疗后，APP/PS1 小鼠的线粒体分布恢复到与 NTG 小鼠相似的水平，但 MOAS（mitochondria - on - a - string，由多个泪滴状线粒体通过薄的双层膜连接而成的结构）的数量在所有 DS 中增加。在轴突方面，NTG 小鼠的所有 DS 都由 I 型和 II 型线粒体支持，APP/PS1 小鼠的线粒体数量减少，且在短粗型 DS 处完全失去 I 型线粒体，CP2 治疗则增加了短粗型 DS 处的线粒体数量，并使所有 DS 的线粒体类型向 I 型转变。此外，研究人员还计算了不同类型 DS 的树突与轴突线粒体比例，发现 APP/PS1 小鼠的这一比例显著增加，而 CP2 治疗使其恢复正常。
3. CP2 治疗改善 APP/PS1 小鼠中与突触功能相关的基因表达：由于 3D EM 重建的样本量有限，研究人员利用 RNA - seq 和 Western blot 分析对更多小鼠进行研究。RNA - seq 数据的主成分分析显示，CP2 治疗的 APP/PS1 小鼠与对照剂处理的小鼠明显分离。基因功能富集分析表明，CP2 上调的基因包括参与树突形态发生、轴突延伸和导向以及突触装配和传递调节的基因。Western blot 分析进一步验证了 RNA - seq 数据和结构发现，APP/PS1 小鼠中一些与突触和神经元功能相关的蛋白（如 PSD95、BDNF 和 Sirt3）水平显著降低，而 CP2 治疗使其恢复到 NTG 小鼠的水平。

综合以上研究结果，研究人员认为，CP2 治疗能够恢复 APP/PS1 小鼠海马体中的突触数量和线粒体分布，这一结论得到了转录组学、蛋白质组学和功能分析的支持。CP2 不仅增加了突触数量，还改善了突触功能，同时使线粒体分布恢复正常，提高了线粒体功能。此外，研究还发现 CP2 治疗能恢复线粒体形态，减少线粒体 - 内质网接触位点，减轻内质网和未折叠蛋白反应（UPR）应激。这些结果表明，CP2 在改善 AD 小鼠突触和线粒体健康方面具有显著效果，为 AD 的治疗提供了新的潜在药物和治疗靶点。同时，研究中使用的 SBFSEM 和 3D EM 重建技术，虽然由于资源密集型的实验方案导致样本量有限，但它们为深入了解神经元结构变化提供了详细的信息，也为 AD 药物研发提供了重要的结构证据，有助于未来开发更有效的 AD 治疗方法。