【原】MIT学者通过核磁共振描绘纤维缠结，揭示AD发病机制重要线索，专家：神经退行性疾病重在早诊早筛

生辉 2022-06-06 发布于北京

展开全文

据世卫组织统计，目前世界范围有超 5500 万人患有阿尔茨海默病（AD），预计到 2050 年，患者数量可能增加到 1.4 亿人。

作为最常见的神经退行性疾病，阿尔茨海默病发病较为隐匿，最终会导致患者出现认知障碍、记忆失衡以及行为异常等，对全球公共卫生系统带来沉重的社会和经济负担。然而，截至目前，阿尔茨海默病的发病机制仍然没有形成定论，临床方面也没有特效药物。

先前已有相关研究表明，阿尔茨海默病的一个重要标志是患者的大脑中存在神经原纤维（神经细胞质内直径约 2-3µm 的丝状纤维结构）缠结。大量由 tau 蛋白错误折叠而形成的神经原纤维缠结会损伤神经细胞的正常功能，甚至导致神经细胞死亡。至于 tau 蛋白究竟是怎么形成的缠结，这一点还有待进一步探究。

（来源：Nature Communications）

近日，麻省理工学院 Mei Hong 教授课题组通过试验揭示了两种不同类型的 tau 蛋白的混合及形成缠结的内在机制，这项研究也为包括阿尔茨海默病在内的多种神经退行性疾病的发病机制提供更多线索。目前，这项研究以“Fluent molecular mixing of Tau isoforms in Alzheimer’s disease neurofibrillary tangles”（阿尔茨海默病神经纤维缠结中 Tau 亚型的流畅分子混合）为题发表在 Nature Communications 上。

“阿尔茨海默病患者的神经细胞中会出现由 tau 蛋白组成的纤维缠结网络，这在多年前就已有报道。这篇论文采用核磁共振的方法来测定 3R 和 4R tau 蛋白分子间的相互作用，以及分析出的具体比例等，让我们知道了其中的更多细节，严格来讲，这项研究并不能称得上是概念性突破。”中国科学院深圳理工大学（筹）生命健康学院叶克强教授告诉生辉。

两种 tau 蛋白的缠结方式随机而非交替

作为神经细胞骨架的重要成分，微管是由微管蛋白及微管相关蛋白组成的，其中，tau 蛋白是含量最高的微管相关蛋白。在正常的大脑组织中，tau 蛋白除了与微管蛋白相聚合形成微管，同时还与形成的微管结合以维持微管稳定性，降低微管蛋白分子的解离等。

▲图｜3R 与 4R tau 蛋白构成蛋白纤维的方式（来源：Hong Lab at MIT）

作为神经细胞中微管的“稳定剂”，tau 蛋白一般是由 3 个或 4 个与微管结合的重复序列组成，可以分为 3R tau 蛋白和 4R tau 蛋白两类（均为 tau 蛋白的同分异构体）。

不论是含有 3 个或是 4 个重复序列，正常的 tau 蛋白都能够维持微管功能，但当 tau 蛋白发生病变时，它们就会从微管上脱落并逐渐聚集形成神经原纤维缠结，导致神经细胞微管结构被大范围广破坏，进而引发大量神经细胞功能障碍和死亡，最终引发阿尔茨海默病。

既然神经原纤维缠结是由 3R 或 4R tau 蛋白组成，那两类 tau 蛋白在分子水平结合形成缠结的具体机制是怎么样的呢？对此，Mei Hong 团队提出猜想：这种缠结可能是由大量 3R 和 4R tau 蛋白以单个分子交替的形式结合而成。

▲图｜两种 tau 蛋白构成阿尔茨海默病 tau 蛋白纤维过程（来源：Nature Communications）

由于无法直接在活体生物的大脑中进行研究，Mei Hong 团队采用体外培养和核磁共振（NMR）光谱进行研究。他们从阿尔茨海默病患者的大脑样本中提取出病变的 tau 蛋白，然后把这些 tau 蛋白置入含有等量正常 3R/4R tau 蛋白的培养液中，以此来模拟在大脑中 tau 蛋白形成缠结的过程。

为了便于观测，他们用碳同位素标记 3R tau 蛋白，用氮同位素标记 4R tau 蛋白，采用核磁共振光谱检测这些同位素标记，通过得到的光谱数据来计算和分析每个 3R 或 4R tau 蛋白后面连接的 tau 蛋白的概率。

最终，试验结果与当初的猜想不同，3R 和 4R tau 蛋白并非以交替形式结合，而是以随机的方式进行结合。具体而言，一个 3R tau 蛋白后面有约 50% 的概率连接 4R tau 蛋白，而一个 4R tau 蛋白后面约有 40% 的概率连接 3R tau 蛋白。总的来说，4R tau 蛋白占据总 tau 蛋白的 60% 左右（4R 与 3R tau 蛋白的占比约为 6 : 4 ）。值得注意的是，培养液中 3R 和 4R tau 蛋白的含量是一样的，而且在正常大脑组织中两者的含量也大致相同。

“阿尔茨海默病患者神经原纤维缠结由 3R 和 4R 两种 tau 蛋白随机混合形成，无论末端的是 3R 或 4R tau 蛋白，都可以连接周围的任何 tau 蛋白并补充至正在形成的纤维上。”该论文的通讯作者、麻省理工学院化学系 Mei Hong 教授说道，“我们将其称之为'流畅分子混合’，这种组装类型有利于阿尔茨海默病患者病变 tau 蛋白的传播和生长。所以，正是这种随机结合的特性加速了阿尔茨海默病的恶化，同时也解释了阿尔茨海默病在众多神经退行性疾病中发病率较高的原因。”她补充说。

▲图｜麻省理工学院化学系 Mei Hong 教授（来源：Hong Lab at MIT）

从霍利奥克山学院化学系毕业之后，Mei Hong 进入加州大学伯克利分校攻读化学专业博士学位。随后，她进入麻省理工学院化学系从事博士后研究工作。目前，她是麻省理工学院化学系教授，国际磁共振学会（ISMAR）研究员。

为了解决各种生物物理学机制问题，Mei Hong 实验室开发了一系列固态核磁共振技术，如新型同位素标记策略、多维相关技术、极化转移脉冲序列等，利用这些新技术可以有效分配蛋白质核磁共振波谱，将核磁共振的距离范围从埃拓展到纳米级别，以此来探测膜蛋白质的插入深度，测量磷脂双层中的蛋白质方向等。现阶段，她和团队的研究重点是开发和应用多维及多核固态核磁共振技术来阐明膜蛋白和其他生物大分子的结构和动力学，而本次的这项研究发现，也在很大程度上依托于这种新型核磁共振光谱检测技术。

对于这项试验，目前的研究主要聚焦在神经原纤维刚性内核结构，他们希望未来进一步研究从内核延伸出来的蛋白结构。“接下来，我们想要更加深入地探索这种 tau 蛋白究竟是如何从正常状态转变为有毒、错误的折叠结构，相信随着后续试验的不断开展，我们的研究将为理解包括阿尔茨海默病在内的各种神经退行性疾病的发病机制提供更多新的重要线索。”Mei Hong 表示。

“阿尔茨海默病重在早诊早筛”

由于阿尔茨海默病的致病机制极为复杂，截至目前，医学界仍未完全破解其发病原因。现行的主流方向有两个，其一，tau 蛋白的异常导致形成神经原纤维缠结；其二，β-淀粉样蛋白在神经细胞外异常沉积。

针对这两个突破口，包括渤健、辉瑞、强生、礼来等在内的国际医药巨头们近年来投入大量人力资金开发药物，但均没有取得突破性成果。实际上，在阿尔茨海默病药物研发领域遭遇挫折早已是行业普遍现状，比如，2012 年，辉瑞和强生宣布停止针对阿尔茨海默病药物 Bapinuezumab 的研发；2018 年，礼来和阿斯利康宣布停止针对阿尔茨海默病的口服抑制剂 Lanabecestat 的临床 Ⅲ 期试验。

现阶段，热度最高同时也是争议最多的一款药物的是渤健开发的阿杜那单抗（Aduhelm），该药物于 2021 年 6 月经过 FDA 批准上市，这是自 2003 年以来首个获批的用于阿尔茨海默病的新药，在此之前，其他已经获批的数款药物仅用于缓解阿尔茨海默病症状，包括加兰他敏、卡巴拉汀、多奈哌齐等。然而，当时很多业内人士认为阿杜那单抗临床疗效数据不足以支持其获批上市。

▲图｜阿杜那单抗（来源：Neuro2Go）

截至目前，阿杜那单抗仍然争议不断，特别是去年下半年以来，遭遇了限制使用、销售惨淡、团队解散等挫折，一系列地连续打击导致阿杜那单抗陷入深渊，同时也让阿尔茨海默病药物研发成为“无底洞”，市场前景堪忧。

阿尔茨海默病的新药研发堪称公认的世界性难题，据美国药物生产与研发协会数据显示，目前全球累计在阿尔茨海默病上的研发投入超 6000 亿美元，失败的临床药物达 300 余种，失败率高达 99.6%。如今随着阿杜那单抗的“濒临灭亡”，该药物也被称为是距离征服阿尔茨海默病最近的“失败者”。

药物开发频频受挫，也让全球众多科研人员不禁怀疑：针对阿尔茨海默病致病机制的两个方向是不是错了。

四年前，一项研究揭示了阿尔茨海默病发病机制的全新见解。2018 年，叶克强教授团队正式提出了激活 C/EBPβ-AEP 信号通路是导致阿尔茨海默病、帕金森病等神经退行性疾病的核心推动要素这一原创理论，他们通过大量研究表明，该信号通路是贯穿阿尔茨海默病发病整个过程的核心机制。

▲（来源：Nature Communications）

“在多年的研究中，我们创新性地提出 C/EBPβ-AEP 信号通路是各种与老化有关的神经退行性疾病的核心推动因素，突破了传统β-淀粉样蛋白或 tau 蛋白是阿尔茨海默病核心原因的理论。在基础研究取得突破之后，我们也在积极开展转化工作，希望能够正在为患 AD 等神经退行性疾病的患者带来有效疗法。”在之前的访谈中，叶克强教授告诉生辉。

据了解，博芮健是叶克强探索基础研究转化的一个落地，该公司的重点适应症以神经退行性疾病为主，在研管线有两类，一类是针对 C/EBPβ - AEP、BDNF-TrkB 信号通路等的新药研发管线；另一类是针对阿尔茨海默病、帕金森病等的诊断产品。

针对阿尔茨海默病，叶克强重点强调了早诊早筛的重要价值，在他看来，“无论采取何种策略，在临床症状出现之前进行早期诊断，对于治愈或显著减缓阿尔茨海默病的进展都是至关重要的，因为一旦出现临床症状，患者的许多重要神经元细胞已经退化，突触可塑性无法再恢复。事实上，早期诊断是真正解决这些神经退行性疾病的最核心和最有效的手段。”他说道。