组织透明化技术在阿尔茨海默症的最新应用

2023-09-04 11:10 作者:锘海生命科学 0人读过 | 我要投稿

1906年，慕尼黑大学的神经病理学家Alois Alzheimer博士在研究一名刚去世的患者Auguste Deter的大脑。Alzheimer博士曾在法兰克福的城市收容所中帮助Frau Deter，并观察到她有记忆力减退，妄想和痴呆症等症状。他在慕尼黑大学的埃米尔·克雷佩林博士的实验室工作期间，利用他对组织病理学的知识，在死后的Frau Deter大脑切片中运用银染技术，发现了蛋白质性老年斑和神经纤维缠结。此后不久，在1910年版的《精神病学手册》中，克雷佩林将这种类型的老年性痴呆症称为“阿尔茨海默症”（AD），以表彰Alzheimer博士的贡献。

一个多世纪后，随着人口老龄化和70岁以上人群中约10％的患病率，阿尔茨海默症对社会产生了毁灭性影响，包括患者、家庭、医疗保健系统和经济等方面。然而，作为神经科学研究的深入性进展，我们对阿尔茨海默症首先报导的神经病理学标志物及其在疾病进程中可能的作用有了更进一步的理解。例如，现在认为老年斑是细胞外的蛋白质聚集体，主要由β-淀粉样蛋白构成，β-淀粉样蛋白是由β-和ɣ-分泌酶顺序切割淀粉样蛋白前体蛋白（APP）产生的40-42个氨基酸的肽（图2）。APP是一种大分子量的膜结合糖蛋白，在哺乳动物的大脑中普遍表达。尽管APP在神经生长和修复中的作用已得到一定程度的证实，但对其裂解产物（包括β-淀粉样蛋白）的了解还很少。低浓度的β-淀粉样蛋白的产生与大脑内突触活性、神经保护和免疫功能的调节有关。然而，β-淀粉样蛋白的过量产生（例如在AD期间或脑外伤后），反而会促进细胞损伤、高磷酸化tau 蛋白的神经原纤维缠结在细胞内的积累、神经变性并最终导致脑萎缩（图3）。

图2：示意图显示分泌酶对淀粉样前体蛋白（APP）的加工，生成β-淀粉样蛋白。β-分泌酶切割APP后，在细胞外释放可溶性APPβ（sAPPβ）。然后，残留的跨膜蛋白被ɣ-分泌酶裂解，从而在细胞外释放APP细胞内结构域（AICD）和毒性形式的β-淀粉样蛋白。过量的β-淀粉样蛋白螯合成聚集体，Alzheimer博士称其为“老年斑”。

图3：阿尔茨海默症引起的严重萎缩。左侧是健康的冠状脑部分。右侧，半球因与AD相关的神经退行性病变而遭到破坏

基于我们对导致AD病理和认知能力下降的分子途径的认识，研究人员建立了AD的转基因小鼠模型，这些模型为神经科学领域研究疾病进展和探索潜在疗法提供了重要工具。建立这种模型的策略包括将突变基因引入小鼠脑中，这些突变会引起家族性遗传的早发型阿尔茨海默症。例如，5xFAD小鼠含有编码人APP和Presenilin-1（ɣ-分泌酶复合物的关键成分）基因的多个突变。突变APP的表达和突变ɣ-分泌酶的异常加工导致有神经毒性的β-淀粉样蛋白42过量表达。从而引起广泛的脑淀粉样变性（老年斑的沉积）和明显的神经胶质化，使得反应性星形胶质细胞迁移到受损的大脑区域。因此，在产后6个月的5xFAD小鼠中，就出现了许多AD表型，包括广泛的神经变性和认知缺陷。

我们通过LifeCanvas Technologies的SmartClear II Pro设备进行了快速透明化，并通过SmartLabel设备进行了均一的免疫标记，我们使用的5xFAD小鼠完整大脑样品来自于卡尔加里大学细胞生物学与解剖学系Jonathan Epp博士实验室。Epp博士主要对构成记忆整合基础的神经机制以及记忆中断的病理过程感兴趣。我们对Epp博士的5xFAD小鼠脑样本进行了β-淀粉样蛋白和GFAP（标记星形胶质细胞）的免疫标记，并使用光片显微镜获得了3D图像数据（图4）。我们可以清楚地观察到星形胶质细胞向淀粉样蛋白聚集体延伸并清除和降解这些沉积物的过程。毫无疑问，Alzheimer博士也会对这些3D透视下的壮观、高分辨率的病理图像赞叹不已。毕竟，这是他最初揭示的病理标记物。