肌萎缩侧索硬化症 (ALS) 是一种神经退行性疾病，其特征是进行性肌肉麻痹，由位于初级运动皮层的上运动神经元和位于脑干和脊髓的下运动神经元退化引起，炎症小体被证明在神经炎症和神经退行性变中发挥重要作用。
NLRP3炎性体与几种神经退行性疾病有关，因为它表明炎性体可以被异常的蛋白质聚集激活，包括例如阿尔茨海默病中的淀粉样蛋白-β和帕金森病中的α-突触核蛋白。然而，在ALS小鼠模型和细胞模型中观察到的NLRP3炎症小体相关的小胶质细胞激活是否发生在在散发性ALS患者中，以及这是否与TDP-43病理学和神经元变性有关仍不清楚。
2022年7月22日，鲁汶大脑研究所的Dietmar Rudolf Thal课题组在Acta Neuropathologica上发表了题为“Increased pyroptosis activation in white matter microglia is associated with neuronal loss in ALS motor cortex”的研究文章，该研究强调了小胶质细胞NLRP3炎症小体介导的细胞焦亡激活对ALS神经元变性的重要性，并为通过抑制小胶质细胞炎症小体/细胞焦亡激活来对抗运动神经元变性的ALS治疗新治疗策略铺平了道路。
研究结果
1. 经典的NLRP3炎性体以及焦亡效应相关蛋白在ALS运动皮层的小胶质细胞中表达
为了研究NLRP3炎性体成分在ALS大脑中的表达，作者对来自人类死后脑组织进行了病理学分析。结果显示，ALS运动皮层及其邻近白质中的小胶质细胞中NLRP3（图1a）、ASC（图1f）和caspase-1（图1k）的阳性免疫反应性。为了进一步证实炎症小体在小胶质细胞中表达，作者用针对小胶质细胞的Iba1抗体进行了免疫荧光共染色，证实ALS运动皮层白质和灰质的小胶质细胞中NLRP3（图1b-e）、ASC（图1g-j）和caspase-1（图1l-o）的表达。接下来，作者评估了ALS运动皮层中焦亡效应相关蛋白的表达，结果显示切割的GSDMD（图1p）和IL-18（图1u）均存在于ALS小胶质细胞中。
图1：ALS前中央白质小胶质细胞炎症小体成分和细胞焦亡效应相关蛋白的表达。2. ALS中枢前白质中Cleaved GSDMD阳性小胶质细胞的存在增加与神经元丢失相关
为了确定细胞焦亡相关蛋白的表达是否与ALS相关，作者量化了caspase-1（炎性体成分）和切割的GSDMD（细胞焦亡效应器）阳性的运动皮层中小胶质细胞的数量。结果显示，ALS病例中caspase-1阳性小胶质细胞的数量减少（图2a），但Cleaved GSDMD阳性小胶质细胞（图2b）和中央前白质中caspase-1阳性小胶质细胞的数量（图2c）都没有显著性差异。有趣的是，与中央前白质中的对照病例相比，ALS病例显示出更高丰度的Cleaved GSDMD阳性小胶质细胞（图2d）。
图2：ALS中心前白质小胶质细胞中Cleaved GSDMD的表达增加。为了检查焦亡相关蛋白的表达是否与ALS中的神经元损失相关，作者量化了ALS和对照病例运动皮层V层的神经元密度。结果显示，与对照病例相比，ALS患者的运动皮层V层神经元密度降低（图3a）。此外，与对照运动皮层相比，ALS中受pTDP-43病理学影响的神经元百分比显着增加（图3b），并且来自运动皮层V层的细胞核清除TDP-43的神经元百分比显着增加（图3c）。
图3：运动皮层V层神经元密度与pTDP-43病理变化。3.有症状的TDP-43A315T转基因小鼠中GSDMD反应性增加与大脑中神经元密度降低有关
为了探索ALS动物模型中焦亡途径是否也被激活，作者研究了TDP-43A315T转基因小鼠脑和脊髓中炎性体成分中caspase-1和焦亡效应蛋白GSDMD的水平。在TDP-43A315T转基因小鼠的运动皮层和脊髓的灰质和白质中检测到大量caspase-1（图4a）和GSDMD（图4b）阳性的小胶质细胞的存在。在运动皮层中，与6月龄的小鼠相比，16月龄的野生型和16月龄的TDP-43A315T转基因小鼠的caspase-1阳性小胶质细胞数量显著增加（图4c）。相比之下，与6月龄的野生型小鼠相比， TDP-43A315T转基因小鼠中GSDMD阳性小胶质细胞的数量显着增加（图4d）。在脊髓中，在16月龄的野生型和TDP-43A315T转基因小鼠的脑中检测到caspase-1阳性小胶质细胞有增加的趋势但没有显著差异（图4e）。最后，作者发现与在大脑中观察到的相似，与6月龄的野生型小鼠相比， TDP-43A315T转基因小鼠脊髓中GSDMD阳性小胶质细胞的数量显着增加（图4f）。
图4：有症状的TDP-43A315T转基因小鼠运动皮质和脊髓GSDMD表达增加。
综上所述，小胶质细胞NLRP3炎症小体介导的细胞焦亡是ALS病理生理学和神经退行性疾病的重要参与者，而Cleaved GSDMD作为ALS中央前白质细胞焦亡激活的重要标志物。在体外和体内研究该途径的病理触发因素和抑制该途径的效果将有助于开发新的治疗策略来对抗ALS中的运动神经元变性。
参考文献
Van Schoor E, Ospitalieri S, Moonen S, et al. Increased pyroptosis activation in white matter microglia is associated with neuronal loss in ALS motor cortex [published online ahead of print, 2022 Jul 22]. Acta Neuropathol. 2022;10.1007/s00401-022-02466-9. doi:10.1007/s00401-022-02466-9
编译作者: 随艺 (Brainnews创作团队)
校审: 胖兔子可可 (Brainnews编辑部)
