导读
脑葡萄糖代谢受损是阿尔茨海默病（AD）的一个病理特征，最近的蛋白质组学研究强调了AD中神经胶质代谢的破坏。近期《Science》杂志上发表了题为“Restoring hippocampal glucose metabolism rescues cognition across Alzheimer’s disease pathologies”的研究论文，报道了抑制吲哚胺-2,3-双加氧酶1（IDO1），一种将色氨酸（TRP）代谢为犬尿氨酸（KYN）的酶，可恢复AD星形胶质细胞糖代谢，挽救AD临床前小鼠模型的海马记忆功能。淀粉样蛋白Aβ和tau寡聚体激活星形胶质细胞IDO1增加KYN，并以以芳香烃受体（AhR）依赖的方式抑制糖酵解。在淀粉样蛋白和tau模型中，IDO1抑制以单羧酸转运蛋白依赖的方式改善海马糖代谢并挽救海马长时程增强。在AD受试者的星形胶质细胞和神经元共培养物中，IDO1抑制改善了星形胶质细胞的乳酸产生和神经元对乳酸的摄取。因此，目前为癌症开发的IDO1抑制剂可能会被重新用于AD的治疗。
结果1：IDO1抑制恢复星形胶质细胞对淀粉样肽和tau寡聚体的生物能量反应
作者研究团队首先研究了IDO1活性是否在星形胶质细胞对Aβ42寡聚体（oAβ）和tau寡聚体（oTau）的反应中起作用，这是AD中的两种主要神经毒性病理。小鼠原代星形胶质细胞在oAβ、oTau以及oAβ和oTau联合(oAβ+oTau)的作用下，显示出IDO1 mRNA的大量表达和IDO1依赖性的KYN显著产生（图1，A-D）。研究团队还证实了AD病理诱导的人iPSC衍生的星形胶质细胞中IDO1的激活和KYN的产生（图1 E），这表明在小鼠和人星形胶质细胞中IDO1对Aβ和tau寡聚体的应答是恒定的。IDO1介导的KYN生成通过使用选择性IDO1抑制剂PF06840003（PF068）预处理而受到抑制。研究者将PF068与13C标记的TRP联合给药，并追踪小鼠和人星形胶质细胞的KYN，发现响应于Aβ和Tau寡聚体，TRP衍生的KYN浓度升高，证实Aβ和Tau寡聚体特异性地通过IDO1的活化增加KYN（图1D）。
然后，该研究团队研究了星形胶质细胞中IDO1激活的下游效应。KYN与AhR结合，并触发AhR易位至细胞核。在细胞核中，AhR与AhR核转运子（ARNT）二聚化以调节转录反应。还测试了用Aβ和Tau寡聚体刺激星形胶质细胞是否诱导IDO1依赖性AhR:ARNT结合。在Aβ和Tau寡聚体的作用下，AhR和ARNT的免疫共沉淀增加，这种增加可被PF068抑制（图1F），表明Aβ和Tau寡聚体激活IDO1并诱导AhR:ARNT结合。使用免疫组织化学检测AhR的正交验证证实IDO1促进AhR易位至星形胶质细胞核（图1G）。
在细胞核中，ARNT的浓度是有限的，因为ARNT还可以结合缺氧诱导因子1-α（HIF 1α），这是一种调节糖酵解基因转录和增加乳酸生成的转录因子。为了评估星形胶质细胞AhR-ARNT与HIF1α-ARNT基因表达，该研究团队检测了在用或不用PF068孵育的小鼠星形胶质细胞中，AhR与HIF1α对oAβ+oTau刺激的转录应答。正如预期的那样，oAβ+oTau刺激后，星形胶质细胞AhR基因转录增加，但IDO1抑制后，AhR基因转录减少（图1H）。相反，IDO1抑制增加了静息星形胶质细胞中HIF1α调节的糖酵解基因表达，并逆转了oAβ+ oTau刺激的星形胶质细胞中HIF1α调节的转录物的抑制（图1I）。事实上，在oAβ+ oTau刺激的星形胶质细胞中，IDO1抑制恢复了糖酵解中间体和乳酸盐、糖酵解[测量为细胞外酸化率（ECAR）]和线粒体氧化磷酸化（测量为基础呼吸）（图1，J-L）。使用小干扰RNA（siRNA）敲低IDO1的表达来验证IDO1抑制对星形胶质细胞生物能量学的代谢作用。在oAβ+oTau刺激的星形胶质细胞中，IDO1敲低表现出IDO1药理作用的抑制，并恢复了星形胶质细胞的基础呼吸、ECAR和糖酵解中间产物（包括乳酸）（图1，M-N）。相反，对小鼠星形胶质细胞应用外源性KYN可引起基础呼吸和ECAR剂量依赖性降低，并抑制用oAβ+oTau刺激的星形胶质细胞中糖酵解和三羧酸（TCA）中间体的生成（图2，A-C）。综上所述，这些数据表明，oAβ+oTau通过IDO1依赖性机制破坏星形胶质细胞的葡萄糖代谢。
图1. Aβ42和tau寡聚体作用下星形胶质细胞IDO1的活化抑制糖酵解。
为了进一步证实IDO1和AhR在抑制星形胶质细胞对oAβ+oTau糖酵解反应中的作用，该研究团队用针对AhR的短发夹RNA（shRNA）转染星形胶质细胞。定量免疫印迹证实了AhR蛋白浓度的敲低，海马生物能学分析显示，AhR敲低防止了星形胶质细胞葡萄糖代谢中oAβ+ oTau驱动的缺陷（图2，D-E）。为了验证AhR敲低拯救了葡萄糖代谢，该研究团队进行了13C葡萄糖同位素示踪，观察到在oAβ+oTau刺激的AhR缺陷星形细胞中，葡萄糖融入下游糖酵解中间体的情况得到了恢复（图2F）。活化星形胶质细胞的免疫因子谱显示IDO1抑制无影响。因此，KYN依赖性AhR信号抑制暴露于抑制暴露于oAβ+oTau的星形胶质细胞的葡萄糖代谢。这些数据表明IDO1活性的增加可能对AD神经元的星形胶质细胞代谢支持产生负面影响。
图2. IDO1抑制可调节突变型APP小鼠星形胶质细胞和海马的乳酸生成。
结果2：IDO1抑制可恢复AD淀粉样蛋白模型的长期记忆
星形胶质细胞是大脑中糖原的主要储存库，并且糖原可以快速分解代谢为乳酸并输出以促进神经元线粒体呼吸和突触活动。星形胶质细胞来源的乳酸盐可促进学习和记忆。鉴于星形胶质细胞乳酸盐在支持神经元代谢中的作用，该研究团队假设星形胶质细胞中IDO1的抑制可能改善AD病理模型中海马记忆缺陷和突触可塑性。
该研究团队首先证实，与星形胶质细胞相比，小鼠原代神经元中缺乏IDO1活性。用PF068抑制IDO1引起星形胶质细胞糖酵解和线粒体呼吸的剂量反应性增加，但不引起神经元糖酵解和线粒体呼吸的剂量反应性增加（图2，G-H）。研究者还评估了脑渗透性IDO1抑制剂PF068在给药4小时后对6个月大野生型(WT)小鼠海马KYN和乳酸浓度的体内影响[0至15 mg/kg体重(mg/kg)口服剂量反应]。IDO1抑制剂以剂量依赖性方式降低海马KYN并相应增加乳酸（图2 I）。然后，该研究团队在两种积聚了错误折叠Aβ42肽的突变淀粉样前体蛋白（APP）小鼠模型——APPSwe-PS1△E9（APP/PS1）和5XFAD模型中测试了PF068的作用。在两种突变APP模型中，海马KYN均增加，且这种增加被PF068（15 mg/kg，口服给药1个月）阻断，表明IDO1激活与体内Aβ42蓄积相关（图2，J-L）。在两种模型中，海马乳酸盐均以IDO1依赖性方式降低（图2，K-M），提示IDO1和KYN的产生在淀粉样蛋白积累的小鼠模型中调节海马糖代谢的作用。
然后，该研究团队测试IDO1活性是否有助于在突变型APP模型中观察到的完善的空间记忆和突触缺陷。PF068对IDO1的抑制逆转了APP/PS1小鼠在巴恩斯迷宫和新物体识别(NOR)任务中海马依赖的空间记忆缺陷（图3，A-C）。研究者还通过测量小鼠脑切片中CA3-CA1 Schaffer侧通路的长时程增强（LTP）来评估海马突触可塑性。与行为学研究结果一致，IDO1抑制逆转了APP/PS1小鼠脑切片中LTP的缺陷，LTP是学习和记忆的细胞指标（图3D）。通过APP/PS1小鼠与IDO1−/−小鼠的连续杂交，敲除APP/PS1小鼠的IDO1基因，发现在Morris水迷宫任务中，IDO1缺失也能恢复APP/PS1小鼠的海马空间记忆（图3E）。与该模型的药理学抑制作用一致（图2K），IDO1的基因缺失也降低了海马中的KYN并增加了乳酸水平（图3，F-G）。在第二种淀粉样蛋白沉积的模型，即5XFAD模型中，空间记忆和海马可塑性也得到了恢复（图3，H-J）。通过对可溶性和不溶性Aβ肽的胍提取，两种模型的IDO1抑制均未影响脑Aβ40和Aβ42的总量。然而，5XFAD小鼠经药物抑制后，海马下托中硫黄素S (ThioS)阳性致密核心斑块和6E10阳性弥散斑块的托下Aβ肽积累减少（图3，K-L），提示对淀粉样蛋白聚集状态的影响。切割APP的突触蛋白BACE1的积累被认为是营养不良性神经突的标志；5XFAD小鼠在IDO1抑制后BACE1的量也减少，与观察到的行为恢复一致。通过胶质细胞酸性蛋白（GFAP）综合光密度测量，星形胶质细胞活化不受IDO1抑制的调节。
然后，该研究团队研究了5XFAD小鼠海马中KYN-AhR信号抑制引起的转录变化。基于该团队先前的数据表明IDO1存在于星形胶质细胞中而不存在于神经元中，间接评估了IDO1抑制对体内星形胶质细胞的影响，并检查了用PF068（15 mg/kg，持续4周）处理的5至6个月大的5XFAD小鼠的海马中的AhR和HIF1α转录应答（图3，M和N）。IDO1抑制减少了AhR调节的转录本，并增加了参与糖酵解代谢的多种HIF1α转录本（包括Ldha、Aldoa、Eno1、Pdk1、Tip1、Pkm、Pgam1和Pfkfb3），这表明IDO1抑制通过转录调节体内葡萄糖代谢。
图3. IDO1抑制剂可恢复突变APP模型的海马记忆和LTP。结果3：IDO1抑制可恢复ADtau病理模型中的代谢和海马记忆
淀粉样蛋白聚集在大脑中被认为是AD发展的必要条件，但不是充分条件，AD的第二个主要病理是错误折叠的tau在几个脑区域的积累和扩散。因此，该研究团队在表达人类微管相关蛋白tau (MAPT)突变形式的AD病理PS19（P301S）tau模型中测试了IDO1抑制的作用。海马KYN增加，而乳酸减少，与APP模型中观察到的变化相似（图4，A-B）。此外，PS19 tau小鼠中的IDO1抑制恢复了巴恩斯迷宫和NOR任务中的空间记忆缺陷（图4，C-D），并恢复了脑切片中的海马LTP（图4 E）。与5XFAD模型相似，在PS19模型中，IDO1抑制使海马AhR和HIF1α调节转录物的增加正常化（图4F）。尽管未观察到星形胶质细胞活化的明显变化，但海马可溶性和不溶性tau（总）以及磷酸化tau亚型（Thr181和Thr231磷酸tau）的分析表明，IDO1抑制降低了可溶性和不溶性tau组分中的Thr231磷酸tau以及不溶性组分中的Thr181磷酸tau（图4，G-J）。在AD病理淀粉样蛋白和tau模型中，海马功能的恢复和病理学的减轻提示了由Aβ和tau寡聚体共同触发的由IDO1驱动的代谢缺陷。
图4.IDO1抑制恢复突变型Tau PS19小鼠的海马记忆和可塑性。结果4：IDO1在AD淀粉样蛋白和tau病理模型中破坏海马糖代谢
为了更好地理解IDO1抑制可改善代谢，该研究团队对三种临床前模型的海马进行了代谢组学分析。该研究团队鉴定了APP/PS1、5XFAD和PS19模型中共有的13种代谢物，证明了糖代谢的富集（图5，A-B）。在AD病理淀粉样蛋白和tau病变中，IDO1抑制可使多种糖酵解和TCA循环中间产物恢复至WT浓度，与中枢代谢物缺乏状态的恢复一致（图5，C-F和H-J）。与APP/PS1同窝小鼠相比，APP/PS1; Ido1−/−小鼠也表现出海马葡萄糖代谢的恢复（图5G）。在雄性和雌性动物中也观察到相似的效果。综上所述，这些数据表明，在AD淀粉样蛋白和tau蛋白病变中，IDO1抑制可恢复海马糖代谢、空间记忆和突触可塑性。
图5.IDO1抑制恢复了淀粉样蛋白和tau蛋白病理模型的海马糖代谢。
为了进一步证实IDO1抑制可以挽救体内活跃的糖代谢，该研究团队进行了正交方法，并通过用对照溶剂或IDO1抑制剂处理APP/PS1和PS19小鼠的颈动脉，以生理速率和浓度输注同位素13C标记的葡萄糖，使得大部分脑葡萄糖来自输注的葡萄糖。同位素葡萄糖输注足够快，使大多数脑葡萄糖均匀地被13C标记（M+6），从而可以测量13C标记葡萄糖掺入海马糖酵解和TCA代谢物。IDO1抑制恢复了海马中间产物、乳酸盐和TCA循环代谢物标记，以控制淀粉样蛋白和tau病理的量（图6，A-B）。为了直观地证实这些变化，该研究团队进行了基质辅助激光解吸电离（MALDI）成像。对照溶剂和PF068处理的AD小鼠的成像显示，在APP/PS1淀粉样蛋白和PS19 tau模型中，糖酵解（果糖1, 6-二磷酸和乳酸）和TCA（苹果酸）中间产物中的葡萄糖掺入降低。通过PF068对IDO1的抑制作用，逆转了这两种病理状态下的降低（图6，C-F）。
图6. 体内质谱标记显示，IDO1抑制可挽救AD模型小鼠海马中葡萄糖并入TCA循环。
结果5：IDO1抑制可恢复乳酸依赖性LTP
基于IDO1在调节星形胶质细胞乳酸生成中的作用的体外数据，该研究团队假设PF068处理的AD小鼠海马LTP的恢复可能依赖于星形胶质细胞产生的乳酸，然后将其转移到神经元。因此，该研究团队将单羧酸转运蛋白MCT1和MCT 2的抑制剂（AR-C155858）施用于对照溶剂或IDO1抑制剂处理的AD小鼠的海马。MCT 1/2的抑制破坏了乳酸从星形胶质细胞向神经元的转移。在所有三种AD模型中，MCT 1/2抑制均阻止了PF068介导的海马LTP拯救（图7，A-C），表明IDO1抑制在不同病理中以乳酸依赖的方式恢复LTP。
此外，该研究团队对经PF068处理的AD模型小鼠的海马切片进行了13C葡萄糖标记，并进行电生理测试，检查了在存在或不存在MCT 1/2抑制剂的情况下，标记的葡萄糖向TCA中间产物的下游掺入（图7，D-F）。如先前用体内质量标记所示（图6），APP/PS1、5XFAD和PS19海马切片中的IDO1抑制恢复了同位素标记的柠檬酸盐和苹果酸盐的浓度，与葡萄糖流到TCA的恢复一致。然而，MCT1/2抑制完全阻止了这种恢复，这表明神经元在淀粉样蛋白和tau蛋白病理中以IDO1依赖的方式使用乳酸。因此，在淀粉样蛋白和tau模型中，抑制IDO1可以挽救乳酸的产生和及神经元对乳酸的摄取，从而恢复突触活性。
图7. IDO1抑制剂可恢复AD模型小鼠海马乳酸依赖性LTP。结果6：IDO1抑制可恢复迟发性AD患者的乳酸从星形胶质细胞向神经元的转移
APP/PS1、5XFAD和PS19模型概括了家族性AD和tau蛋白病的罕见遗传形式的病理学。然而，大多数AD为迟发型（LOAD），病因更为复杂。为了研究LOAD中KYN浓度是否发生变化，该研究团队在具有明显特征的人死后脑组织中测量了KYN和TRP，这些组织中存在数量不断增加的Braak病理学，这是AD神经病理学诊断的基础。评估额中回的KYN和TRP浓度，LOAD患者的该脑区表现出双侧灰质丢失、突触丢失和高Aβ负荷。对来自认知正常（CN）个体和LOAD个体的人神经元和人星形胶质细胞的TRP和KYN进行了LC-MS定量。没有观察到CN和LOAD个体之间人神经元TRP、KYN或下游犬尿氨酸途径代谢产物的变化。然而，与CN个体相比，LOAD个体中的星形胶质细胞显示TRP降低和KYN增加（图8，B-C）。用IDO1抑制剂PF068孵育LOAD星形胶质细胞使TRP和KYN的浓度标准化，表明与CN星形胶质细胞相比，LOAD星形胶质细胞中IDO1活性增加。
然后，该研究团队检测了IDO1抑制剂对与来自CN个体和患有LOAD的个体的神经元共培养的星形胶质细胞中的葡萄糖代谢和乳酸转运的调节的影响。用13C葡萄糖标记人星形胶质细胞，用溶剂或PF068处理20小时。彻底清洗人星形胶质细胞，然后将其转移到与其相应的同基因人神经元共培养4小时，以使人星形胶质细胞产生的[M+3]乳酸被人神经元吸收（图8D）。与CN人星形胶质细胞相比，LOAD人星形胶质细胞的葡萄糖代谢降低；然而，IDO1抑制后，该缺陷恢复正常（图8E）。特别是与CN人星形胶质细胞相比，AD人星形胶质细胞中的[M+3]乳酸降低，用PF068恢复至CN浓度。PF068处理的人星形胶质细胞与人神经元共同孵育后，人神经元中的[M+3]乳酸摄取也正常化（图8F）。LOAD 人神经元与PF068处理的人星形胶质细胞共孵育恢复了葡萄糖掺入丙酮酸和下游TCA代谢物。在存在MCT1抑制剂的情况下，将外源性乳酸应用于CN和LOAD神经元证实，乳酸是人iPSC衍生神经元中下游TCA代谢物生成的底物。综上所述，这些结果表明，KYN的IDO1生成抑制了LOAD 人星形胶质细胞中的乳酸生成以及随后的人神经元摄取。IDO1抑制恢复了星形胶质细胞中的葡萄糖流量，从而使LOAD人神经元能够摄取乳酸，补充了TCA，从而促进线粒体呼吸和突触活动。
IDO1抑制在LOAD星形胶质细胞和神经元中引起的代谢拯救与临床前突变型APP和Tau模型海马中观察到的相似。为了确定这种体外效应的潜在机制，该研究团队对LOAD和CN人iPSC队列的一个子集进行了RNA-seq。主成分分析表明，无论疾病状态或药物治疗如何，LOAD人星形胶质细胞中的疾病状态特征和轻微的药物效应，但在人神经元中无显著差异（图8，G-H）。评估每种条件下的基因表达，并揭示了溶剂处理的LOAD与CN人星形胶质细胞中的差异表达基因（DEG），其包括编码犬尿氨酸途径酶的基因（图8I）。尽管PF068的转录作用相对温和，但与PF068处理的人星形胶质细胞共培养的LOAD神经元的基因本体分析证明了与丙酮酸利用和TCA功能增加相关的途径的变化，与我们在AD临床前模型中观察到的相似（图8，J-K）。对LOAD和CN细胞间比较的deg进行基序分析，发现AhR-ARNT基序特异性富集。通过基序分析鉴定的AhR-ARNT相关转录物的无偏分层聚类证明了LOAD和CN人星形胶质细胞之间AhR靶基因的分离，表明IDO1通路和KYN生成在LOAD调节星形胶质细胞应答中发挥了作用。
图8. IDO1抑制可恢复迟发性AD患者的乳酸从星形胶质细胞向神经元的转移。小结
在本研究中，作者团队结合体外和体内临床前模型，探讨星形胶质细胞在AD发病机制中的作用。他们确定了犬尿氨酸途径，特别是IDO1生成的KYN，作为星形胶质细胞葡萄糖代谢和神经元代谢支持的抑制因子。在体外，Aβ和tau寡聚体(AD的两种主要病理效应物)激活星形胶质细胞中的IDO1，增加了KYN并抑制了糖酵解和乳酸的产生，该作用被IDO1抑制剂阻断。在体内，IDO1阻断逆转了淀粉样蛋白和tau蛋白介导的海马糖酵解、空间记忆和LTP的破坏。在源自AD但非CN受试者的人星形胶质细胞中也观察到了星形胶质细胞乳酸产生的IDO1依赖性抑制。同位素标记显示，IDO1抑制星形胶质细胞可恢复共培养的神经元对星形胶质细胞乳酸的摄取和代谢。在人死后额叶皮质中，大脑KYN随着Braak AD分期的增加而增加，这与在APP/PS1、5XFAD和PS19临床前模型中观察到的IDO1衍生的海马KYN增加一致。综上所述，在淀粉样蛋白和tau病变中，IDO1活性的增加和KYN的产生抑制了海马的糖代谢，空间记忆和突触可塑性。通过IDO1抑制恢复星形胶质细胞葡萄糖代谢可能是不同于目前的淀粉样蛋白治疗策略的治疗神经退行性疾病（如AD）的另一种治疗方式。
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Minhas PS, Jones JR, Andreasson KI, et al.Restoring hippocampal glucose metabolism rescues cognition across Alzheimer's disease pathologies. Science. 2024 Aug 23;385(6711):eabm6131.
编译：彭小萍
校审：唐晓璐
