FIRE小鼠的故事：揭開髓鞘與神經(jīng)退行性疾病的謎團(tuán)

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小膠質(zhì)細(xì)胞可以控制髓鞘生長以預(yù)防其發(fā)生退行性改變，這一機(jī)制幫助科學(xué)家更好理解和治療神經(jīng)退行性疾病。

科學(xué)家歷經(jīng)數(shù)十年的研究仍然無法破解神經(jīng)退行性疾病中為何神經(jīng)元健康會出現(xiàn)損害。科學(xué)家長期認(rèn)為阿爾茨海默病的病因是淀粉樣蛋白和tau蛋白的有害堆積，而這些蛋白在正常生理情況下有助于神經(jīng)元生長、修復(fù)和維持穩(wěn)定。基于這種看法，科學(xué)家開發(fā)了靶向這些蛋白質(zhì)的療法，但臨床試驗(yàn)證明這些治療并不能很好地恢復(fù)患者的認(rèn)知功能。這讓科學(xué)家開始轉(zhuǎn)向蛋白質(zhì)毒性之外的其他破壞神經(jīng)元健康的可能因素。

2004年，加州大學(xué)洛杉磯分校神經(jīng)科學(xué)家喬治·巴茲佐奇斯（George Bartzokis）首先提出，包繞軸突的保護(hù)性外膜髓鞘可能是阿爾茨海默病發(fā)生和治療的關(guān)鍵。髓鞘對神經(jīng)元功能而言至關(guān)重要。它使得神經(jīng)元絕緣并為軸突提供營養(yǎng)，神經(jīng)元得以生存并正常運(yùn)作。髓鞘也對有效學(xué)習(xí)和記憶編碼功能有重要意義。

2000年代初，研究者為了更好地理解衰老，研究了30歲以上的恒河猴（這類生物的平均壽命約35歲）腦。研究者發(fā)現(xiàn)老年的非人靈長類動物腦中的髓鞘呈現(xiàn)出結(jié)構(gòu)改變和損害。值得注意的是，這種變化和猴子認(rèn)知下降的程度存在相關(guān)性。當(dāng)科學(xué)家對人類進(jìn)行MRI研究時(shí)，發(fā)現(xiàn)髓鞘在阿爾茨海默病發(fā)病的20年前就出現(xiàn)損害。這些證據(jù)都提示髓鞘損害可能與認(rèn)知功能下降存在本質(zhì)性聯(lián)系，是阿爾茨海默病發(fā)生發(fā)展的早期事件。

盡管有這些證據(jù)，近20年來卻沒有后續(xù)研究證實(shí)這一假說，部分是因?yàn)檠芯咳藛T認(rèn)為髓鞘變化是神經(jīng)元損害的結(jié)果而非原因。但近期美國第三軍醫(yī)大學(xué)和加州大學(xué)舊金山分校的研究人員在阿爾茨海默病小鼠模型中觀察到髓鞘變性，并伴有高概率的髓鞘修復(fù)。盡管這種修復(fù)無法代償損害的進(jìn)展，但研究人員發(fā)現(xiàn)，無論淀粉樣蛋白累積多少，增強(qiáng)髓鞘生成都能夠改善認(rèn)知和神經(jīng)元功能。事實(shí)上，馬克斯·普朗克多學(xué)科科學(xué)研究所的科學(xué)家近期發(fā)現(xiàn)，髓鞘損害本身能夠驅(qū)動阿爾茨海默病小鼠模型中淀粉樣蛋白積累。這些結(jié)果為巴茲佐奇斯的假設(shè)提供了證據(jù)。

電子顯微鏡顯示，ALSP患者腦白質(zhì)中軸突周圍的髓鞘過度生長。髓鞘失穩(wěn)與最終退行性改變是神經(jīng)退行性疾病的特征

小膠質(zhì)細(xì)胞和髓鞘的聯(lián)系

這些研究在解答一些問題的同時(shí)又提出了新的疑問。例如，研究人員是否可以通過研究髓鞘退行性改變的機(jī)制，預(yù)防癡呆的發(fā)生。研究該機(jī)制的第一步是理解健康腦中髓鞘如何維持其結(jié)構(gòu)和功能。研究者因此轉(zhuǎn)向了腦中的小膠質(zhì)細(xì)胞。

小膠質(zhì)細(xì)胞屬于膠質(zhì)細(xì)胞，具有支持神經(jīng)元并維持中樞神經(jīng)系統(tǒng)微環(huán)境健康和完好的功能。它如同是腦的前線士兵，具有免疫細(xì)胞的功能，保護(hù)腦免受病原體、損傷或其他有害刺激。過去10年間，研究人員發(fā)現(xiàn)小膠質(zhì)細(xì)胞也參與維持健康腦的功能。事實(shí)上，小膠質(zhì)細(xì)胞在整個(gè)生命過程中長期參與維持髓鞘的健康。

研究者近期發(fā)現(xiàn)缺乏小膠質(zhì)細(xì)胞的幼年小鼠相對于小膠質(zhì)細(xì)胞完好者，其腦發(fā)育過程中髓鞘更少。這提示小膠質(zhì)細(xì)胞在腦的發(fā)育過程中，通過驅(qū)動少突膠質(zhì)細(xì)胞（產(chǎn)生髓鞘的細(xì)胞）的生長促進(jìn)髓鞘形成。然而，這些研究中還存在一個(gè)關(guān)鍵問題，當(dāng)時(shí)實(shí)驗(yàn)中用于消除小膠質(zhì)細(xì)胞的工具也會靶向另一小群中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的免疫細(xì)胞——邊界相關(guān)巨噬細(xì)胞（BAMs），這類細(xì)胞出現(xiàn)在腦膜、血管周圍以及接觸腦脊液的區(qū)域。科學(xué)家并不知道這類細(xì)胞對髓鞘形成是否有影響。

2019年，愛丁堡大學(xué)的研究者開發(fā)了一種顛覆現(xiàn)狀的小鼠模型。研究者通過CRISPR-Cas9技術(shù)刪除了FIRE序列，這是編碼CSF1R基因的超級增強(qiáng)子，CSF1R是一種小膠質(zhì)細(xì)胞發(fā)育和存活必備的受體。FIRE在邊界相關(guān)巨噬細(xì)胞中有冗余的功能，這意味著FIRE敲除小鼠（或被稱作FIRE小鼠）缺少小膠質(zhì)細(xì)胞卻保留了邊界相關(guān)巨噬細(xì)胞。研究者可以利用這一新模型解析小膠質(zhì)細(xì)胞在髓鞘形成中的特定功能。

小膠質(zhì)細(xì)胞控制髓鞘生長

在愛丁堡大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室中，研究者急切地研究了FIRE小鼠髓鞘的情況。研究者假設(shè)FIRE小鼠因?yàn)槿狈π∧z質(zhì)細(xì)胞而導(dǎo)致早期發(fā)育階段中髓鞘形成功能障礙，這符合之前巨噬細(xì)胞完全缺失模型的研究結(jié)果。但研究者卻發(fā)現(xiàn)了驚人的結(jié)果。

實(shí)驗(yàn)證明FIRE小鼠髓鞘形成功能并沒有缺陷。研究者很疑惑，并花費(fèi)數(shù)月分析了各種髓鞘相關(guān)蛋白質(zhì)的情況，同時(shí)研究了少數(shù)膠質(zhì)細(xì)胞的數(shù)量，但它們似乎全都沒有受到影響。最后，研究者利用電子顯微鏡在超微結(jié)構(gòu)水平進(jìn)行觀察，并取得了突破性進(jìn)展。研究者觀察到FIRE小鼠確實(shí)存在髓鞘，但其數(shù)量卻豐富得出人意料。年輕的FIRE小鼠腦中缺乏小膠質(zhì)細(xì)胞，卻在發(fā)育過程中形成了過量的髓鞘，并維持到了成年。

FIRE小鼠髓鞘失調(diào)現(xiàn)象提示小膠質(zhì)細(xì)胞在髓鞘穩(wěn)定性中的必要性

這些發(fā)現(xiàn)說明小膠質(zhì)細(xì)胞積極參與調(diào)控髓鞘的生長。為了進(jìn)一步證實(shí)這一理論，研究者使用了另一種方法，利用前人研究的金標(biāo)準(zhǔn)方法（通過藥物抑制CSF1R）大量減少了成年小鼠的小膠質(zhì)細(xì)胞和巨噬細(xì)胞。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與之前的一致：在僅僅一個(gè)月藥物處理后，F(xiàn)IRE小鼠腦中就表現(xiàn)出髓鞘過量形成的現(xiàn)象。

接著，研究者探究這一現(xiàn)象是否也出現(xiàn)在人類中。研究人員從柏林夏里特醫(yī)學(xué)院維爾納·斯坦?jié)桑╓erner Stenzel）那里獲得了一種罕見的人類神經(jīng)退行性疾病——成人起病的腦白質(zhì)病伴軸索球樣變和色素膠質(zhì)細(xì)胞（ALSP）——珍貴腦組織樣本，發(fā)現(xiàn)ALSP患者CSF1R基因的雜合突變會導(dǎo)致小膠質(zhì)細(xì)胞數(shù)量大約減少一半，尤其是腦白質(zhì)中富含髓鞘的區(qū)域。ALSP患者臨床上會表現(xiàn)出早發(fā)性癡呆，通常在40或50歲左右去世。ALSP患者的腦樣本中也出現(xiàn)了FIRE小鼠腦中過度生長的髓鞘。

這一現(xiàn)象說明小膠質(zhì)細(xì)胞不僅能夠在腦發(fā)育階段控制髓鞘形成，也能夠在成年后繼續(xù)調(diào)節(jié)髓鞘的生長。不僅如此，當(dāng)小膠質(zhì)細(xì)胞缺失或數(shù)量減少后出現(xiàn)的髓鞘過度生長的現(xiàn)象，與出現(xiàn)認(rèn)知功能下降的老年非人靈長類腦中觀察到的髓鞘結(jié)構(gòu)改變非常相似。這表明健康小膠質(zhì)細(xì)胞缺失后，髓鞘會過早衰老并影響認(rèn)知功能。

研究人員接著通過巴恩斯迷宮測試評估FIRE小鼠的認(rèn)知功能。在這個(gè)測試中，小鼠需要經(jīng)過數(shù)次試驗(yàn)學(xué)習(xí)在迷宮中找到逃脫洞的位置。數(shù)天后，研究人員會重新設(shè)置逃脫室的位置，小鼠適應(yīng)新位置的能力能夠反映它們的認(rèn)知靈活性。FIRE小鼠表現(xiàn)出認(rèn)知靈活性下降，這是隨著年齡增長最先下降的認(rèn)知功能之一。先前也有研究證明這一功能隨年齡的下降程度能夠預(yù)測阿爾茨海默病的發(fā)展。

小膠質(zhì)細(xì)胞防止髓鞘退化

由于衰老會導(dǎo)致髓鞘結(jié)構(gòu)改變，而阿爾茨海默病中髓鞘出現(xiàn)退行性改變，研究者希望進(jìn)一步探究小膠質(zhì)細(xì)胞缺失情況下髓鞘結(jié)構(gòu)的變化是否會導(dǎo)致髓鞘更容易出現(xiàn)退行性改變。研究者在ALSP患者的樣本中發(fā)現(xiàn)髓鞘存在與年齡相關(guān)的差異。一位因其他原因死亡的年輕患者腦中存在豐富且過度生長的髓鞘。但在年齡較大的患者中大部分髓鞘都表現(xiàn)出退行性改變，而存活的髓鞘則表現(xiàn)出過度生長的狀態(tài)。

于是研究者進(jìn)一步探究小膠質(zhì)細(xì)胞在髓鞘維持方面的作用。在FIRE小鼠6個(gè)月齡時(shí)，研究者發(fā)現(xiàn)髓鞘出現(xiàn)明顯的退行性改變。而當(dāng)小膠質(zhì)細(xì)胞缺失后，髓鞘卻很快從過度生長轉(zhuǎn)變?yōu)閾p害的表現(xiàn)。這一現(xiàn)象很奇怪，從機(jī)制上來講很難解釋。

為了進(jìn)一步研究FIRE小鼠中出現(xiàn)的髓鞘損害是否與長期缺失小膠質(zhì)細(xì)胞相關(guān)，研究者在5個(gè)月齡的野生型小鼠中使用1個(gè)月藥物以損耗小膠質(zhì)細(xì)胞和巨噬細(xì)胞。研究人員觀察到髓鞘出現(xiàn)了相似的退行性改變，這提示小膠質(zhì)細(xì)胞的功能在維持髓鞘健康過程中隨著腦的年齡增加愈發(fā)重要。

過勞的小膠質(zhì)細(xì)胞

人會因?yàn)檫^量的工作負(fù)擔(dān)和長時(shí)間的應(yīng)激而精疲力竭。小膠質(zhì)細(xì)胞也會有類似的反應(yīng)，其機(jī)制對癡呆的治療而言可能至關(guān)重要。大量復(fù)雜的單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組測序研究數(shù)據(jù)表明衰老以及疾病（阿爾茨海默病）狀態(tài)下，腦中會出現(xiàn)疾病相關(guān)的小膠質(zhì)細(xì)胞群體。這可能是因?yàn)殡S著腦的年齡增長，需求不斷增加，而產(chǎn)生了這一小膠質(zhì)細(xì)胞群體。小膠質(zhì)細(xì)胞在面對過多的任務(wù)時(shí)，會失去年輕時(shí)維持髓鞘的能力。

如果將小膠質(zhì)細(xì)胞恢復(fù)到年輕時(shí)的狀態(tài)，或許可以預(yù)防衰老腦中髓鞘的退行性改變，并阻止神經(jīng)退行性疾病的潛在發(fā)展。通過阻止這一進(jìn)程，或許我們能夠讓所愛之人在暮年時(shí)依舊保持自己的記憶。

資料來源 The Scientist

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本文作者尼亞美 ·麥克納馬拉（Niamh McNamara）最近在愛丁堡大學(xué)獲得了博士學(xué)位，研究方向是小膠質(zhì)細(xì)胞調(diào)控髓鞘穩(wěn)定性。她目前在荷蘭阿姆斯特丹神經(jīng)科學(xué)研究所繼續(xù)博士后研究。維羅妮卡·米龍（Veronique Miron）是一位神經(jīng)免疫學(xué)教授，領(lǐng)導(dǎo)多倫多大學(xué)和愛丁堡大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室開展研究，研究方向是生命過程中髓鞘健康和病理學(xué)的調(diào)控