腦立體定位儀在揭示小膠質細胞感知Aβ斑塊新機制中的應用
文獻精讀第41期
阿爾茨海默�。ˋlzheimer’s disease, AD）是老年人常見的神經系統變性疾病，患者會出現日漸加重的認知障礙，嚴重影響了生活質量。AD的病理特征主要包括存在于細胞外的淀粉樣蛋白-β(Amyloid-β, Aβ)斑塊，以及神經元內tau蛋白過度磷酸化形成的神經原纖維纏結。小膠質細胞是定植于神經系統的固有免疫細胞，它可以通過物理或化學的手段來感知局部微環境的動態變化，來清除微環境中的損傷因子，從而對神經元起到保護作用。在AD中，小膠質細胞能夠識別并吞噬病理性的Aβ聚合物和斑塊沉積，因此對AD的靶點尋找和疾病治療和具有重要價值。然而對于小膠質細胞是如何來感知并識別Aβ斑塊的作用機制，目前的研究尚未完全闡明。
2022年11月10日，廈門大學生命科學學院莫瑋教授團隊在Neuron雜志上發表了題為“Microglial Piezo1 senses Aβ fibrils stiffness to restrict Alzheimer’s disease”的研究論文。該研究證實，小膠質細胞對不溶性Aβ纖維硬度的感知依賴于機械力受體Piezo1。在AD小鼠模型中，Piezo1缺失導致小鼠的Aβ病理和神經退行性病變的加劇。相反，通過藥理學手段來激活Piezo1能夠顯著改善AD相關病理變化。該研究結果表明，小膠質細胞中的Piezo1可能是一個有前景的AD治療靶點。
鑒于Aβ斑塊的多種化學成分，之前的研究工作主要集中在小膠質細胞如何通過化學信號來感知Aβ斑塊。最近的研究表明，小膠質細胞能夠對機械力的變化做出反應，并優先遷移到更堅硬的基質上，而小膠質細胞對Aβ斑塊硬度響應的機械感知尚不清楚。Piezo家族是哺乳動物細胞中的機械敏感性陽離子通道蛋白。作為機械力受體，Piezo可通過感受細胞膜機械力的變化，包括剪切應力、硬度和周期性壓力等，并將機械信號轉化為電信號或化學信號。
為了確定Aβ斑塊在物理特性上的改變，文章作者利用原子力顯微鏡對在體標記的Aβ斑塊進行了檢測。結果表明，在鮮活腦片中，Aβ斑塊組織的硬度顯著高于非Aβ斑塊組織。作者進一步分析發現，相對其他機械通道蛋白，Piezo1在小膠質細胞中的表達最高。并且在體外原代培養小膠質細胞中，小膠質細胞中Piezo1的表達受到不溶性Aβ纖維硬度刺激而增高。最后，作者通過鈣成像和電生理實驗證實了小膠質細胞對纖維化Aβ硬度的感知依賴于Piezo1。此外，作者通過對AD小鼠模型和臨床尸檢樣本進行了檢測，觀察到Aβ斑塊附近的小膠質細胞中Piezo1的表達顯著上調。
圖1.5×FAD小鼠與AD患者腦組織中小膠質細胞Piezo1的表達升高
為了進一步確定小膠質細胞中的Piezo1在Aβ病理中的作用，作者對小膠質細胞中的Piezo1進行了敲除。Piezo1缺失加重了5×FAD小鼠（AD小鼠模型）的Aβ斑塊負擔、突觸丟失以及認知損害，而且還會損害小膠質細胞的吞噬活性，減少小膠質細胞向Aβ斑塊的聚集，導致斑塊被包裹的程度減少，斑塊更加松散。與之相反，在5×FAD小鼠中，作者在利用激動劑激活Piezo1后，小膠質細胞在Aβ斑塊周圍的聚集以及對Aβ斑塊的吞噬顯著增加，并且小鼠的認知功能也得到明顯改善。然而，當小膠質細胞中的Piezo1被敲除后，給予Piezo1激動劑不再具有改善Aβ相關病理的作用。這些結果表明，Piezo1介導的小膠質細胞激活對于抑制Aβ相關病理以及認知功能改善至關重要。
圖2.小膠質細胞Piezo1激活能夠顯著改善5×FAD小鼠的Aβ斑塊負擔和認知能力
綜上，小膠質細胞可通過機械感覺離子通道Piezo1來感知Aβ纖維硬度，調節小膠質細胞對Aβ斑塊的反應，從而阻止Aβ病理的擴散，凸顯了小膠質細胞機械生物學在AD病理中的保護作用。此外，激活小膠質細胞中的Piezo1減輕了AD相關病理，進一步提高了調節Piezo1活性在AD治療中的價值。從機械轉導途徑揭示小膠質細胞Piezo1在AD病理中的作用，將進一步拓展我們對AD發病機制的理解。
研究方法亮點
這項工作揭示了小膠質細胞通過機械力受體Piezo1感知纖維化Aβ硬度的作用機制。研究用到了腦立體定位注射、膜片鉗記錄、原代細胞培養、免疫組化以及細胞分子檢測等實驗技術。瑞沃德深耕生命科學研究領域20年，一直致力于為客戶提供可信賴的解決方案和服務。在該研究中，研究人員采用了瑞沃德公司生產的腦立體定位注射系統，為實驗的順利開展提供了支持。此外，瑞沃德還可提供的該研究所涉及的電生理記錄、原代細胞培養、免疫組化以及細胞分子檢測等實驗的完整解決方案。截至目前，瑞沃德產品及服務覆蓋海內外100多個國家和地區，客戶涵蓋全球700+醫院，1000+科研院所，6000+高等院校，已助力全球科研人員發表SCI文章14500+，獲得行業廣泛認可。
