阿尔茨海默病（Alzheimer’ s disease，AD）是一种目前无法治愈的神经退行性疾病，其特征是突触功能逐渐下降、神经元丧失和认知能力下降。淀粉样β蛋白（amyloid-β，Aβ）的过度积累和过度磷酸化tau蛋白的聚集是阿尔茨海默病大脑的主要病理特征，其次是神经炎症。小胶质细胞是是大脑中的主要免疫群体，因此被认为在AD中发挥了重要的作用。但它们也是高度异质性的群体，在AD大脑中以不同的状态存在，这些状态可能对疾病进展有利或有害。然而，决定特定小胶质细胞群体是限制还是促进AD病理的因素仍然定义不清。
载脂蛋白E（Apolipoprotein E，APOE）是一种分泌蛋白，因其在脂质运输中的中心作用而得名，有三种常见的人类同种型：APOE2、APOE3和APOE4。APOE对人类健康特别重要，因为它是晚发性AD的最大单等位基因风险因素：相较于最常见的等位基因APOE3，APOE4增加风险，而APOE2、降低风险。APOE也是更广泛免疫调节的调节器，具有在抗肿瘤免疫以及多种其他炎症环境中的作用。然而，大脑免疫细胞是如何被衰老和不同的APOE等位基因共同调节的机制尚不清楚。
美国洛克菲勒大学Sohail F. Tavazoie等研究人员合作发现，衰竭样小胶质细胞群在老年和APOE4基因型阿尔茨海默氏症患者大脑中聚集。相关研究发表在Immunity上。
1. TIM的独特特性及其在老年小鼠中的出现
研究人员通过将5×FAD小鼠（一种常见的AD的小鼠模型）与在小鼠Apoe基因座上携带人类APOE2、APOE3或APOE4等位基因的小鼠进行交配（以下简称AD*APOE2、AD*APOE3和AD*APOE4），构建APOE基因突变的小鼠AD模型。
研究团队发现来自96周大的小鼠的小胶质细胞显示出明显的向表达炎症基因以及早期反应基因如Fos、Jun和Egr1簇的转变；并将这些簇的细胞称为终末炎症小胶质细胞（terminally inflammatory microglia，TIM）。TIM几乎只在96周大的小鼠样本中，特别是在携带APOE4基因型的AD小鼠中富集。
图1 AD小鼠模型的建立以及测序流程
图2 小胶质细胞亚群分类2. TIM与AD病理的关联
研究人员比较了TIM与稳态和疾病相关小胶质细胞（disease-associated microglia，DAM）之间预测较重要的配体-受体复合物，如IL-11、脱氢表雄酮（DHEA）和2-花生四烯酸甘油（2-AG）在TIM中都有强烈的富集，而整合素αMβ2（MAC-1）和leukotriene B4在TIM中都有强烈的减少。IL-11、DHEA和2-AG都被认为是减弱小胶质细胞激活和促进髓鞘再生和修复程序的介质。同样，MAC-1被提名为在AD和其他神经退行性疾病如帕金森病中，小胶质细胞激活和神经退化的关键贡献者，而leukotriene B4是中性粒细胞浸润和组织损伤的建立贡献者。总的来说，TIM的互作组的这种转变支持了与DAM等其他炎症相关群体相比，TIM倾向于减少炎症和减少激活。
图3 TIM有独特的代谢状态3. 人类AD中的TIM
研究团队将来自十个先前发布的snRNA-seq人类大脑数据集的小胶质细胞投影到小鼠多组学数据上。在所有十个数据集中都以与多组学参考相当的频率识别出了TIM；此外，无论组织是通过酶消化还是通过冷匀浆处理，都识别出了TIM，这表明TIM状态不仅仅是样本制备过程中体外应激的产物。与预期一致，与无疾病个体的样本相比，来自AD患者的样本中TIM更丰富，且TIM的比例与死后时间无关，这表明TIM不太可能是样本制备的人工产物。
图4 TIM在公开的人类snRNA-seq数据集中都能被检测到4. aducanumab对TIM的影响
尽管AD目前仍然无法治愈，但aducanumab是一种最近开发并获得批准的单克隆抗体治疗药物，旨在通过选择性结合Aβ（淀粉样蛋白）聚集体来减缓疾病进展。通常认为这些聚集体随后通过Fc受体介导的与髓系细胞的结合而被清除。研究人员对60周大的AD*APOE2、AD*APOE3和AD*APOE4小鼠进行了aducanumab或同种型对照连续5天进行每日腹腔注射，然后对它们的海马和皮层区域的Cd45+细胞进行单细胞测序。对小胶质细胞进行子聚类显示，接受同种型对照治疗的动物的细胞主要是稳态、急性炎症或效应低TIM，而接受aducanumab治疗的动物的细胞则主要是DAM、效应高TIM和准备状态的稳态小胶质细胞。
图5 aducanumab治疗组与对照组中的小胶质细胞分类对比5. TIM在Aβ清除中的作用
研究人员认为，TIM状态可能对小胶质细胞的功能和表型产生影响。为了验证这一预测，研究人员从60周大的AD*APOE2、AD*APOE3和AD*APOE4小鼠的海马和皮层区域收集细胞，并将其与荧光标记并聚合的Aβ 1-42一起体外孵育。研究人员使用了pH不敏感的荧光团HiLexa 488，以确保细胞摄取后的荧光信号稳定。然后研究人员根据荧光信号测量的Aβ摄取，将Cd45+细胞分选并分成两组，之后进行分选后细胞哈希（hashing）处理，然后进行单细胞RNA测序。经过过滤、质量控制和计算整合后，研究人员得到了一个包含12613个细胞的数据集，其中76%的细胞属于12个小胶质细胞亚群，24%的细胞属于17个较小的非小胶质细胞群体。比较Aβ-hi（高Aβ）和Aβ-lo（低Aβ）池中小胶质细胞的相对分布，发现Aβ-lo群体从稳态簇向TIM转移。
研究人员接着检查了每个基因型中每个簇在Aβ-hi池中的细胞相对比例，以确定哪些群体最或最不擅长Aβ摄取。研究人员发现两个群体，一个富含核糖体转录本的稳态小胶质细胞，另一个标记有干扰素反应基因的小胶质细胞，在Aβ-hi池中始终过度表达。与此同时，效应低TIM和效应高TIM在Aβ-hi池中比例不高。值得注意的是，AD*APOE4的特征是效应低TIM在Aβ-hi池中代表性严重不足——这表明在这个基因型中，这一群体在Aβ清除方面的缺陷更加严重——以及效应低TIM总体频率更高，揭示了一个复合效应，即AD*APOE4过度负担着一群特别受损的细胞。
图6 TIM清除淀粉样蛋白β的能力受损总结
晚发性阿尔茨海默病的主要风险因素是高龄和APOE4基因变异。为了研究这些因素如何改变神经免疫功能，研究人员在携带三种常见人类APOE等位基因的AD模型小鼠中，生成了一个综合性的、纵向的单细胞图谱，涵盖了大脑免疫细胞。转录组和染色质可及性分析识别出了一种反应性小胶质细胞群体，它们同时表达炎症信号和细胞内应激标记物，其频率随年龄增长和APOE4负荷增加。
在人类AD患者的大脑中，包括皮层组织，通过多重空间转录组学检测，也发现了类似的群体。研究人员将这一群体定义为终末炎症小胶质细胞，它们在aducanumab治疗期间表现出Aβ的清除缺陷。TIM可能代表了AD环境中炎症小胶质细胞的一种耗竭状态，这有可能提高了APOE4携带者和老年人的AD风险，从而可能成为AD的潜在治疗靶点。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.immuni.2023.12.001
参考文献
Millet A, Ledo JH, Tavazoie SF. An exhausted-like microglial population accumulates in aged and APOE4 genotype Alzheimer's brains. Immunity. 2024;57(1):153-170.e6. doi:10.1016/j.immuni.2023.12.001
编译作者：玉桓尘（brainnews创作团队）
校审：Simon（brainnews编辑部）
