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微生物vs澱粉樣蛋白,誰是阿爾茨海默症的元兇?

2021-03-22 00:00:00健康

編者按:

阿爾茨海默症,又被稱為老年痴呆症,是一種發病程式緩慢、隨著時間不斷惡化的神經退化性疾病。早期的常見症狀為喪失短期記憶,隨著疾病的不斷進展,可能會出現語言障礙、定向障礙、情緒不穩等問題。目前沒有可以阻止或逆轉病程的方法。過去的研究認為,大腦中的澱粉樣蛋白斑塊沉積和 Tau 蛋白與疾病有關,但近年來的研究發現微生物感染或也參與其中。

今天,我們特別關注阿爾茨海默症。希望該文能夠為諸位讀者帶來一些啟發和幫助。

①澱粉樣蛋白假說與感染假說

兩年前,免疫學家、醫學出版企業家 Leslie Norins 決定出資 100 萬美元作為獎金,來獎勵給那些可以證明阿爾茨海默症是由細菌引起的科學家。

幾十年以來,感染會引起痴呆症的這套理論,一直在神經科學研究領域的邊緣徘徊。在大量證據的支援下,大多數阿爾茨海默症研究者認為,阿爾茨海默症的罪魁禍首是大腦中名為澱粉樣蛋白的粘性分子,這種澱粉樣蛋白會聚整合塊,從而引起炎症反應,導致神經元死亡。

但是 Norins 想要獎勵那些讓感染理論更具說服力的工作。Norins 說:「澱粉樣蛋白假說已經變成了大多研究者唯一公認的‘信仰’了。少數將目光瞄準微生物並發表論文的先驅研究者,卻被嘲笑或被忽視了。」

導致這樣的情況很大程度上是因為早期支援感染理論的研究者認為澱粉樣蛋白假說是錯的,而感染理論是對的,二者只存其一。但近期的研究結果則提供了一些有意思的線索:感染可能會導致澱粉樣蛋白團塊產生,從而引發阿爾茨海默症,即這兩種觀點本應互相補充。

這些研究資料表明,澱粉樣蛋白在神經元中起著重要作用。它不單單是一種有毒的產物,而且還可能擔任著一項重要任務——保護大腦免受感染。但年齡或者基因可能會干擾整個系統的制約與平衡,導致澱粉粒蛋白從一個守衛變成了反派。

而這種觀點也為探索阿爾茨海默症治療方法提供了新思路。為了進一步驗證這一理論,科學家們正努力開發構建更接近阿爾茨海默症的動物模型。英國倫敦大學學院痴呆症研究中心主任神經生物學家 Bart de Strooper 說:「我們正在認真對待這些觀點。」

② 因結塊窒息而亡

澱粉樣蛋白假說認為,阿爾茨海默症是由腦細胞間空隙中的粘性可溶性蛋白質——澱粉樣β蛋白肽沉澱聚積導致的。這些肽是從嵌入在神經元細胞膜中的另一種蛋白質中解離出來的。一旦自由漂浮,它們會聚集在一起形成更大的結構,如果不能被特殊的酶高效清除,它們就會形成斑塊。這些斑塊隨後會觸發一系列的致命反應: 它們引發神經炎症併產生大量的 tau 蛋白。這一連串的反應會導致神經元死亡。

這一假說的批評者指出,很多從未患過阿爾茨海默症的人在死亡後腦內也會出現這種斑塊。另外,很多以消除斑塊為基礎的療法的臨床試驗均以失敗為告終,這些療法並未減緩該疾病的發展。

而支援澱粉樣蛋白假說的研究者則反駁稱,雖然斑塊密度在個體間差異較大,但它們引發的 tau 絲蛋白纏繞的密度卻與疾病嚴重程度密切相關。他們還稱,臨床試驗之所以失敗,可能是因為治療方法介入的時期已經是疾病發展的後期了。

他們也有強有力的證據來捍衛自己的觀點。有一些罕見的侵襲性阿爾茨海默症發生在生命早期,主要出現在 30~60 歲人群,且具有家族遺傳性。這些疾病是由控制澱粉樣蛋白生成過程和大腦炎症的相關基因突變引起的。

而許多其他基因與更常見的晚發性阿爾茨海默症的風險有關。一些基因編碼的蛋白質與澱粉樣蛋白有關,一些編碼的蛋白質參與先天免疫系統中,這些蛋白可以迅速啟用免疫系統,防止病原體在體內擴散,並推動炎症的發生。

圖.阿爾茨海默病患者的腦組織樣本中有時會含有微生物。

③ 感染病原體

研究人員希望透過在成千上萬的去世後的阿爾茨海默症患者的大腦中檢測微生物來驗證感染假說。在很多患者體內,他們都找到了微生物。Strooper 說:「但這些研究僅說明瞭它們存在相關性,而這種相關性可能跟機制無關。」

英國曼切斯特大學的生物物理學家 Ruth Itzhaki 在 20 世紀 90 年代報告了對於阿爾茨海默症患者去世後腦內的單純皰疹病毒 1 型(HSVI)的觀察結果[1]。她認為,大腦中微生物的存在一定表明了它們具有作用,她和其他人都認為,他們有很好的證據來證明病毒是阿爾茨海默症的關鍵。

Itzhaki 說:「我們中的大多數人都承認澱粉樣蛋白是阿爾茨海默症的一個非常重要的特徵,但它並不是原因。」

有幾種微生物被認為是阿爾茨海默症的誘因,包括三種人類皰疹病毒和三種細菌:肺炎衣原體,肺部感染的原因;布氏桿菌,萊姆病的病原體;以及導致牙齦疾病的牙齦卟啉單胞菌。理論上,任何能夠侵入大腦的傳染病原體都可能具有這種觸發作用(然而,沒有充分的證據表明 COVID-19 背後的 SARS-CoV-2 病毒具有這種能力)。

這一領域的大多數研究小組都有自己偏愛的微生物,2018 年發表的兩篇引人注目的論文研究了皰疹病毒的作用。其中一個來自紐約西奈山伊坎醫學院 Joel Dudley 的研究小組,分析了各種資料庫中近 1000 個患者死後大腦產生的大量基因、蛋白質和組織結構資料。

研究小組在腦組織中尋找病毒的特徵——皰疹病毒特異的基因片段或蛋白質片段——並得出結論:阿爾茨海默病患者的人類皰疹病毒 6A 型(HHV-6A)和人類皰疹病毒 7 型的水平高於對照組[2]。

但是其他研究人員,包括馬裡蘭州貝塞斯達的美國神經紊亂和中風研究院的病毒學家 Steven Jacobson,他的團隊研究了超過 1000 個患者死後的大腦樣本,沒有重複出 Dudley 的發現[3]。

儘管 Dudley 研究中所涉及的患者大腦的樣本量令人震撼,但是其結果只揭示了相關性。位於波恩的德國神經退行性疾病研究中心的 Michael Heneka 稱,這一資料的來源也令人擔憂。阿爾茨海默症患者的大腦在死亡前的狀態非常糟糕,在屍檢進行前,組織就會發生分解,而微生物很容易在生命的最後幾天或死後滲入其中。

他說:「我們不能從屍檢材料中對一種疾病的發病機理做出太多假設,更何況這種疾病的發展軌跡大約有30年。」

在 Dudley 的論文發表之前,臺灣進行了一項長達十年的研究,跟蹤調查了 8000 多名被診斷為單純皰疹病毒的患者,並將他們與 25000 名沒有被診斷為此病的對照組進行了比較。患有皰疹組患阿爾茨海默病的風險增加了 2.5 倍,但是那些接受積極藥物治療的人患阿爾茨海默病的風險幾乎沒有增加[4]。

不過,在這個理論被高度關注之前,感染可能以某種方式引發阿爾茨海默症的想法就已經有足夠的吸引力讓研究人員啟動臨床試驗。

2017 年,紐約市哥倫比亞大學的一個團隊開始測試抗病毒藥物伐昔洛韋是否可以減緩輕度阿爾茨海默病患者的認知衰退和澱粉樣斑塊的形成,這些人的單純皰疹病毒抗體檢測也呈陽性。預計試驗結果將於 2022 年公佈。

④ 尋找因果證據

當對人類研究僅能提供相關性關係時,研究人員往往會轉向動物實驗以期找到因果關係。但阿爾茨海默症的動物模型並不完美,例如,小鼠不會隨著年齡的增長而發展出標誌性的斑塊,除非它們經過基因工程產生斑塊。

目前廣泛使用的 5xFAD 轉基因小鼠對 5 個相關的基因進行了編輯,這些基因編碼前澱粉樣蛋白和將其切割成澱粉樣蛋白-β 的酶。這些小鼠以超高的水平表達這些基因,它們在只有兩個月大的時候就開始出現斑塊。

神經遺傳學家 Rudolph Tanzi 和他在查爾斯頓馬薩諸塞州總醫院的同事正在使用 5xFAD 小鼠模型來研究阿爾茨海默症。這一切開始於 2008 年某個星期五的下午,當時他們科室正在進行傳統的 「啤酒一小時」——也被員工和學生稱為 「態度調整一小時」。

Tanzi 一直在一些新的人類基因組學資料中尋找阿爾茨海默症的風險基因,他對列表中出現 CD33 基因——一種在先天免疫系統中廣泛表達的蛋白質——感到很疑惑。於是,他去隔壁問他的朋友 Rob Moir,問他對先天免疫系統可能會產生一個導致阿爾茨海默症的候選基因這個奇怪的想法有什麼看法。

Moir 是一位神經科學家,他正忙著研究生命科學文獻中的新內容,並偶然看到了一篇關於抗菌肽的論文,抗菌肽存在於許多先天免疫途徑中。他叫住了 Tanzi :「老哥,你看看這個。」

他的電腦上顯示了一張描述這些肽的表格,所有這些肽的長度都與澱粉樣蛋白-β 相似,而且具有一些類似的特性。他問:「你認為澱粉樣蛋白-β 有可能是一種抗菌肽嗎?」Tanzi 毫不猶豫地說:「那我們來驗證一下吧!」

Moir 接受了這一想法。Tanzi 回憶道:「他就像只咬住拖鞋的狗狗,對這個想法不肯放手。」

儘管 β-澱粉樣蛋白在所有物種中都高度保守——這是生物具有功能的強有力指標,但是在當時還沒有人考慮過它本身是否具備特定的功能。這一序列至少有 4 億年的歷史,大約三分之二的脊椎動物都存在這個序列。他們推測,這可能不僅僅是一個壞角色,也許它有好人的功能,捕獲進入大腦的微生物,並阻止它們引起疾病。當大腦老化並失去有效清除澱粉樣蛋白的能力時,這個系統可能會出錯。

從事微生物學的 Tanzi 立馬要求研究生 Stephanie Soscia 儘快研究 β-澱粉樣蛋白是否可以殺死試管中 8 種常見的致病微生物,包括肺炎鏈球菌和大腸桿菌。她發現,它至少跟目前已知的抗菌肽效果相當。

他們在 2010 年將這一結果登報發表[5],在接下來的幾年裡,Mori 主持了一系列更為深入的實驗,以驗證他們現在所稱的抗菌素保護假說。他們將鼠傷寒沙門氏菌直接注射到 5xFAD 小鼠的大腦中,發現它們比非轉基因、無菌斑的小鼠存活的時間更長。他們使用致病真菌白色念珠菌線上蟲身上也發現了類似的結果。在這兩種情況下,澱粉樣蛋白形成了粘滯的網狀物,吞噬並清除了病原菌[6](見下圖)。

然後,研究小組將注意力轉移到皰疹病毒上,皰疹病毒已成為與阿爾茨海默症聯絡最密切的人類病原體。他們將單純皰疹病毒 1 型注射到 5xFAD 小鼠和正常小鼠的大腦中。三週不到的時間,轉基因小鼠的大腦中就佈滿了澱粉樣斑塊。當研究小組用致死劑量的單純皰疹病毒 1 型重複實驗時,轉基因小鼠比對照組活得更長——並且在兩天內,它們的大腦中出現了斑塊[7]。Tanzi 說:「這真的很神奇。」

單純皰疹病毒 1 型非常普遍,以至於全世界超過一半的人體內都有這種病毒。但 Mori 還想檢測一下人皰疹病毒6型的效果,這種病毒在 10%的健康人大腦中都有發現,雖然通常水平較低,效果尚不清楚。

小鼠對人皰疹病毒 6 型感染有抵抗力,因此 Mori 的研究小組在人類神經細胞的 3D 培養中探究了這種病毒的影響,這種 3D 培養模擬了阿爾茨海默症某些方面的特徵。正常情況下,這個迷你腦組織器官在培養六週後開始累積澱粉樣斑塊和 tau 蛋白纏結。但是,正如研究人員在老鼠身上看到的那樣,在注射人皰疹病毒 6 型的兩天後斑塊就出現了[7]。

Moir 和 Tanzi 繼續研究皰疹病毒對類腦器官中 tau 蛋白纏結形成的影響,以及纏結是否能阻止病毒在神經元中的傳播。不幸的是,Mori 在 2019 年 12 月死於一場突發急疾,但是 Tanzi 說他的團隊仍然在從事這項工作。

他說,到目前為止,他的概念驗證實驗的結果是,「如果你正在產生 β-澱粉樣蛋白,你將在感染中存活得更好」。但他也承認,要找到真正的證據——看到感染引發澱粉樣蛋白級聯反應然後導致疾病——還有很長的路要走。

他說:「我們還沒有看到確鑿的證據。」目前還沒有人知道 β-澱粉樣蛋白的抗菌特性是否真的是作為正常生理過程的一部分在人體中部署的,也沒有人知道它們在大腦防禦機制的總體規劃中有多重要。就像罕見的基因突變一樣,感染可能是導致阿爾茨海默症發作的一種方式。

Tanzi 的實驗室意識到,不管是什麼引發了疾病的發生,在病人死亡時都可能已經不復存在了,因此他們正在開發分離和分析單個斑塊的技術,看看是否有微生物被困在其中。他說,這更像是一種考古挖掘。

圖.在阿爾茨海默病小鼠模型中,小神經膠質細胞聚集在斑塊周圍。

⑤ 支援性研究

Tanzi 的工作還沒有被獨立複製,但其它實驗已經為抗菌保護假說提供了間接支援。例如,位於加利福尼亞州南舊金山的生物技術公司 Genentech 的科學家表明,一種被稱為 PILRA 的基因的突變(該基因在各種免疫細胞中表達),與阿爾茨海默病的風險降低有關[8]。這種基因產生一種蛋白質,幫助皰疹和其他病毒進入神經元,研究人員說這種基因突變可能阻止病原體的進入。

最有趣的是,紐約紀念斯隆凱特林癌症中心化學生物學家 Yue Ming Li 實驗室 2020 年的一篇論文提供了一種可能將神經炎症與 β-澱粉樣蛋白的產生聯絡起來的機制[9]。Li 的團隊發現,當病毒進入大腦時,一種叫做 IFITM3 的蛋白質表達會被啟用。這種蛋白質與一種澱粉樣蛋白製造酶(稱為 γ-分泌酶)結合,增加澱粉樣蛋白的產生。

Li 和他的團隊觀察了來自腦庫的樣本,發現 IFITM3 基因的表達隨著年齡的增長而增加。阿爾茨海默病患者的大腦中也高於對照組。更重要的是,在腦細胞的實驗中,他們發現一種叫做幹擾素的促炎細胞因子,增加了 IFITM3 和 β-澱粉樣蛋白的水平(在人腦樣本中同樣如此。只要他們發現更多的 IFITM3,他們就會發現更多的幹擾素)。

他們說,這一切都表明,這種蛋白質可能是炎症和澱粉樣蛋白生成過程的中間環節。

Li 教授目前正在研究 IFITM3 是否能成為一種生物標誌物,幫助決定哪些病人可能被招募進抗炎治療或針對 γ-分泌酶的藥物的臨床試驗。他還在探索這種蛋白質是否能成為藥物開發的靶標。

De Strooper 說,這些研究結果「向前邁出了一大步」,因為它們揭示了許多複雜疾病(包括癌症)的特徵。他說,這一過程「可能是由導致家族性阿爾茨海默病的突變引起的,這種突變導致更多的澱粉樣蛋白引起炎症,也可能是感染引起炎症,這種炎症導致澱粉樣肽過量產生。」

他說,如果這一點成立,那麼對阿爾茨海默症的治療將有重要意義,因為阻斷 β-澱粉樣蛋白的產生可能意味著感染突然能對大腦構成更大的威脅。「但這完全是推測,這取決於 β-澱粉樣蛋白在大腦的全域性防線中的重要性。」

一些研究人員仍然懷疑感染是引起阿爾茨海默症的主要原因。倫敦大學學院的 John Hardy 因在阿爾茨海默症方面的工作與 de Strooper 等人分享了 2018 年大腦獎(the 2018 Brain Prize)。他說,他「賭 5 英鎊,而非 500 英鎊」,賭抗菌素保護理論是正確的。

但是,他說:「我認為這一理論不會被證明,我不認為除了遺傳學之外,關於阿爾茨海默症還有什麼需要解釋的。」

而英國愛丁堡大學的神經科學家 Tara Spires-Jones 表示,雖然目前的資料說明瞭感染透過製造炎症來引發一些阿爾茨海默症病例的可能性,但正常的衰老過程也可能是一種解釋。她指出,老齡化是患上阿爾茨海默症的最大風險因素。「在我個人看來,隨著年齡的增長,大腦中普遍存在的炎症更有可能是原因。」

然而,如果有正確的模型,一些科學家認為感染理論是可以證明的,即使也很難證明阿爾茨海默症病例中有多大比例是由微生物引起的。

Jacobson 被這些新的可能性所吸引,並希望開發一種狨猴模型來測試感染理論,因為這種小型靈長類動物比其他模型更準確地模擬了人類的阿爾茨海默病。Tanzi 正計劃使用一種小鼠模型,它的澱粉樣蛋白基因已經被換成了人類的等效基因,因此它能以正常的生理水平表達人類的 β-澱粉樣蛋白。

除此之外,還有另一個關鍵步驟——重複出現有的研究結果。

至於 Norin 的獎金,到目前為止已有 40 名申請者提交了作品,希望能在 3 月份的挑戰賽結果公佈時拿到獎金。Norin 意識到這項任務的艱鉅性。他說,微生物導致阿爾茨海默症的證據將會是「最難提供的證據」。


參考文獻:

1.Jamieson, G. A., Maitland, N. J., Wilcock, G. K., Craske, J. & Itzhaki, R. F. J. Med. Virol. 33, 224–227 (1991).

2.Readhead, B. et al. Neuron 99, 64–82 (2018).

3.Allnutt, M. A. et al. Neuron 105, 1027–1035 (2020).

4.Tzeng, N. S. et al. Neurotherapeutics 15, 417–429 (2018).

5.Soscia, S. J. et al. PLoS ONE 5, e9505 (2010).

6.Kumar, D. K. V. et al. Sci. Transl. Med. 8, 340ra72 (2016).

7.Eimer, W. A. et al. Neuron 100, 1527–1532 (2018).

8.Rathore, N. et al. PLoS Genet. 14, e1007427 (2018).

9.Hur, J.-Y. et al. Nature 586, 735–740 (2020).

原文連結:https://www.nature.com/articles/d41586-020-03084-9

作者|Alison Abbott

編譯|Johnson

審校|617