MIT华人女科学家揭示AD单细胞分子图谱,开启阿尔茨海默认知全新时代

生物医学
MIT华人女科学家揭示AD单细胞分子图谱,开启阿尔茨海默认知全新时代
麻省理工科技评论 2019-05-03

2019-05-03

北京时间 5 月 2 日,Nature 杂志发表了麻省理工学院(MIT)大脑与认知科学系华人女科学家蔡立慧(LiHuei Tsai)教授团队的一项重磅研究。
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北京时间 5 月 2 日,Nature 杂志发表了麻省理工学院(MIT)大脑与认知科学系华人女科学家蔡立慧(LiHuei Tsai)教授团队的一项重磅研究。

北京时间 5 月 2 日,Nature 杂志发表了麻省理工学院(MIT)大脑与认知科学系华人女科学家蔡立慧(LiHuei Tsai)教授团队的一项重磅研究,研究人员通过对 48 名患有阿尔茨海默病(AD)不同程度病理个体进行了超过 80000 个单细胞 RNA 分析,揭示了阿尔茨海默病相关的基因表达在不同脑细胞类型中发生的变化。

这是科学家们首次对阿尔茨海默病患者个体脑细胞中表达的基因进行综合分析,并且有望为阿尔茨海默病提供许多潜在的新药物靶点。

MIT华人科学家揭示AD单细胞分子图谱,开启阿尔茨海默认知新时代

图 | 当地时间 5 月 1 日发表于 Nature 的研究论文(来源:Nature)

蔡立慧在一份声明中表示,”我们想知道是否可以区分每种细胞类型是否在健康和患病的脑组织之间存在差异的基因表达模式。而这正是单细胞水平分析的强大能力,我们可以通过单细胞分析真正看到大脑中所有不同细胞类型之间的差异。”

同为研究论文通讯作者的麻省理工学院计算机科学教授、麻省理工学院计算机科学与人工智能实验室成员 Manolis Kellis 表示,”在我看来,这项研究为我们提供了研究阿尔茨海默病患者大脑细胞所有分子过程的第一张图谱,这些过程在每一种细胞类型中都发生了改变,而我们现在可以可靠地对这些细胞进行描述,这开启了一个了解阿尔茨海默病的全新时代。”

单细胞测序技术揭示 AD 分子图谱


细胞是构成生命体的结构和功能的基本单位,不同类型的细胞形态迥异,功能也各不相同。即使是同类细胞间看似相同,但也存在着广泛的细胞异质性。早期基于群体细胞分析所获得的平均性数据,往往忽略了细胞个体间差异。

随着细胞分离和新一代测序的发展,研究人员开始研究单个细胞 DNA、RNA、蛋白质和染色质层面的差异。2009 年,由北大生命科学学院教授汤富酬团队首次报道的单细胞转录组测序技术,就旨在让我们在单细胞层面更清楚地识别特定细胞及其功能。

使用单细胞测序方法,研究人员不仅能够分析最丰富的细胞类型,包括兴奋性和抑制性神经元,还能分析稀有的非神经元脑细胞,如少突胶质细胞、星形胶质细胞和小胶质细胞。

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图 | 正常老年人的大脑(左)和阿尔茨海默病患者的大脑(右)比较(来源:wikipedia)

之前对阿尔茨海默病患者基因表达的研究,已经分析了部分脑组织的总体 RNA 水平,但是这些研究没有区分具体的细胞类型,难以揭示丰富细胞类型中发生的变化。

而在最新的这项研究中,研究人员通过分析 24 位有着轻度至重度病理学特征的阿尔茨海默病患者的大脑样本,以及 24 位几乎没有病理学特征的对照组样本,结果发现大脑中的每一种细胞类型在阿尔茨海默病患者中都表现出明显的基因表达差异。

一些最显著的变化发生在与轴突再生和髓鞘形成相关的基因中。髓鞘是一种脂肪鞘,它将轴突与外界隔离,帮助轴突传递电信号。研究人员发现,在患有阿尔茨海默病的个体中,与髓鞘形成相关的基因在神经元和少突胶质细胞(产生髓鞘的细胞)中都受到影响。

这些细胞类型特异性的基因表达变化,大多发生在疾病发展的早期。在后期阶段,研究人员发现大多数细胞类型都有非常相似的基因表达变化模式。具体来说,大多数脑细胞都发现了与应激反应、程序性细胞死亡以及维持蛋白质完整性所需的细胞机制相关的基因。

此外,研究人员还发现了基因表达模式与阿尔茨海默病严重程度其他指标之间的相关性,如淀粉样斑块和神经原纤维缠结的水平,以及认知障碍。

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(来源:MIT)

最令人惊讶的是,研究人员发现了男性和女性阿尔茨海默病患者的脑细胞之间的巨大差异。研究人员指出,男性患者的兴奋性神经元和其他脑细胞在阿尔茨海默病中表现出的基因表达变化不如女性个体,即使这些患者确实表现出相似的症状,包括淀粉样蛋白斑和认知障碍。相比之下,来自女性患者的脑细胞显示出阿尔茨海默病中更严重的基因表达变化,以及一系列改变。

“阿尔茨海默病的性别差异有越来越多的临床和临床前证据,但没有潜在的已知机制。而我们的研究表明,非神经元髓鞘细胞参与的细胞分化过程可能发挥了作用。关键是要弄清楚这些差异是否只在一种性别中保护或损害脑细胞,以及如何在另一种性别中平衡预期方向的反应。”研究论文共同第一作者、麻省理工学院的 Jose Davila­-VelderrainJose 说。

没有参与本项研究的哈佛大学医学院遗传学和神经学教授 Bruce Yankner 将这项研究描述为”分子病理学之旅”。

“这是第一次全面应用单细胞 RNA 测序技术研究阿尔茨海默病,”Yankner 说,”我预计这将是该领域非常宝贵的资源,并将促进我们对该疾病的分子基础的理解。”

蔡教授发明的 40 赫兹”光+声”刺激


阿尔茨海默病作为一种主要与衰老相关的神经退行性疾病,由德国精神病学家和病理学家爱罗斯·阿尔茨海默在 1906 年首次发现并命名。至今百余年已经过去,人们仍旧没有成功揭开这种疾病的神秘面纱,阿尔茨海默病的药物研发也被称为”蒙着眼睛开枪”。

数十年来,各大药企耗费数十亿美元寻找治疗阿尔茨海默病的良药,但结果并不理想。自 1998 年以来,已有 100 多次尝试开发治疗该疾病的有效药物,但只有 4 种获得批准。这些获批的药物,也都只是为了治疗一些症状,并不能治愈甚至延缓阿尔茨海默病的进展。

但即便如此,科学家们仍在不余遗力地寻找任何能够治愈或者延缓阿尔茨海默病的药物或方法。

2016 年,蔡立慧带领的研究团队就曾发现,40赫兹的光能够刺激小鼠大脑的γ脑电波,减少大脑中的β淀粉样蛋白。

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图 | 蔡立慧教授(来源:MIT)

脑波,是指人脑内的神经元细胞之间传递信息时产生的生物电信号。人类的大脑在不同行为及状态下可以产生多种脑波,常用的为 β 波、α 波、θ 波、δ 波和 γ 波等。其中 γ 波的频率为 25~100 赫兹(通常为 40 赫兹),当我们集中注意力、做决定或者使用记忆时,主要是这一频率的脑电波。

以往的研究发现,阿尔茨海默病患者大脑的 γ 波呈现异常,但一直以来,研究者们都将其视为疾病的结果。而蔡立慧认为,如果没有足够的线索,将 γ 波的异常进行定性是不足以让人信服的。也就是说,如果假设因为患者大脑的 γ 波异常而导致疾病,这种说法也是可能的。

基于这一想法,蔡立慧带领研究团队首先选择频率为 40 赫兹的闪光对实验小鼠进行光刺激。研究发现,经过每天 1 小时的处理,小鼠视觉皮层的 β 淀粉样蛋白及 Tau 蛋白水平显著降低。

但光线的作用只能局限在大脑的视觉皮层,而这与我们更关注的与记忆相关的海马区还有一定距离。随后,他们选择了频率同为 40 赫兹、受限更少的声音作为动物实验的媒介。同样使实验动物每天暴露在 1 小时的声音处理下,7 天后实验小鼠听觉皮层和海马区中的β淀粉样蛋白明显减少,同时小鼠的认知能力增强。

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图 | 40 赫兹”光””声”刺激改善阿尔茨海默病相关病理并改善认知(来源:Cell )

之后,研究人员又尝试了”光+声音”双管齐下的试验验证,结果让研究团队喜出望外,二者的结合发挥了更大的积极作用,更多的 β 淀粉样蛋白被清除。进一步的研究发现,行使”免疫吞噬”功能的小胶质细胞的数量增加,并且大脑内的血管直径也有所增大,而这很可能是大脑清除 β 淀粉样蛋白的重要途径。

这一研究成果也于 2019 年 3 月发表在 Cell 杂志。不久前在接受 DeepTech 采访时蔡立慧表示,这种疗法对于阿尔茨海默病而言,可以说是一种”减缓”,但目前并没有足够的证据证明这种疗法可以”逆转”疾病。她表示,其团队刚刚开始人体研究,希望测试该疗法在早期阿尔茨海默病患者身上的效果。

在阿尔兹海默病药物研发领域跌入冰点的这两年,不得不说类似于”光+声”刺激治疗阿尔茨海默病的新疗法,给全球数以亿计的阿尔茨海默病患者带来了新的希望。而随着科学家们在单细胞水平对于阿尔兹海默病的全新认识,新的靶点和药物研发也将随之而来。

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