Cell Stem Cell | 人iPSC来源三维脑组织揭示APOE4介导的胆固醇代谢异常与α-突触核蛋白聚集的因果关联

撰文 | 格格

阿尔茨海默病（AD）通常以β-淀粉样蛋白和tau蛋白病理为标志【1】，但α-突触核蛋白（α-Syn）聚集在AD患者中也极为常见，发生率高达50%~90%，且会明显加速神经退行性病变和认知功能下降【2，3】。APOE4是AD最强的遗传风险因素，它不仅增加α-Syn病理负担【4，5】，还是路易体痴呆的主要风险基因。然而，APOE4究竟如何从细胞和分子层面促进α-Syn病理，至今仍不清楚。要阐明这一机制，需要可靠的疾病模型。目前常用的α-Syn预形成纤维（PFF）诱导方法存在批次间差异大、生物安全风险高等问题，且难以模拟体内复杂的多细胞相互作用。另一方面，传统的二维细胞培养无法真实反映脑组织的微环境，而三维模型虽能更好地再现神经病理表型，但其在解析遗传变异对α-Syn病理影响方面的适用性和重复性仍有待验证。因此，该领域亟待建立一个不依赖外源纤维、可规模化制备、且包含多种细胞类型和微环境要素的模型体系，以便在人类遗传背景下深入探究APOE4及其他风险因子如何影响α-Syn病理的发生与传播。

近日 ， 来自 美国西奈山伊坎医学院 的Joel W. Blanchard研究团队在Cell Stem Cell杂志发表题为Cholesterol dysregulation in APOE4 astrocytespromotes α-synuclein pathology in miBrains的研究论文， 该研究旨在利用人iPSC来源的三维脑组织模型（miBrain）解析APOE4促进α-突触核蛋白病理的细胞机制，并发现APOE4/4星形胶质细胞通过胆固醇蓄积导致内溶酶体功能障碍，进而损害可溶性α-突触核蛋白的降解，促使其发生致病性转化并播种至神经元内形成包涵体，从而揭示了星形胶质细胞胆固醇代谢紊乱作为APOE4相关突触核蛋白病的核心驱动因素。

首先，研究人员为了建立可靠的人脑组织模型，构建了包含神经元、星形胶质细胞、小胶质细胞、内皮细胞、壁细胞和少突胶质前体细胞等多种细胞类型的三维miBrain，并验证了其具有 自发性神经网络放电 。在此基础上，他们开发了冻存方法以实现规模化批量化制备。为诱导α-突触核蛋白（α-Syn）病理，研究人员在神经元中过表达携带A53T突变的 SNCA ，发现miBrain在不依赖外源预形成纤维的情况下即可形成磷酸化α-Syn（p-Syn）丰富的胞内包涵体，且这些包涵体具有脂滴、线粒体共定位和去垢剂抗性等类路易体病理特征，同时伴随神经元损伤和转录组层面的突触及凋亡相关通路变化。

接着，研究人员利用等基因 APOE3/3 和 APOE4/4 细胞系组装miBrain，发现 APOE4/4 miBrain中神经元p-Syn水平显著高于 APOE3/3 对照，且即使仅将 APOE3/3 神经元置于 APOE4/4 背景的miBrain中，p-Syn依然升高，表明APOE4通过非细胞自主机制促进α-Syn病理。通过逐细胞类型替换实验，他们进一步将这一效应归因于星形胶质细胞：当 APOE4/4 星形胶质细胞替换掉 APOE3/3 星形胶质细胞时，足以使p-Syn水平升高至与全 APOE4/4 miBrain相当，而替换其他细胞类型则无此效果。同时， APOE4/4 星形胶质细胞呈现出反应性形态改变、与α-Syn的空间重叠减少以及转录组上炎症和脂质代谢相关通路的显著变化。

研究人员进一步探究其机制，发现 APOE4/4 星形胶质细胞尽管 SNCA 转录水平降低，但总α-Syn和p-Syn蛋白水平反而升高，且对外源α-Syn的摄取动力学延迟、胞内降解能力显著受损。机制上， APOE4/4 星形胶质细胞表现出溶酶体蛋白水解活性下降和LAMP1阳性溶酶体减少。重要的是， APOE4/4 星形胶质细胞可将神经元来源的α-Syn吸收后磷酸化并释放出更具致病性的种子形式——经 APOE4/4 星形胶质细胞“双条件处理”的培养基可显著诱导新鲜神经元中p-Syn升高，而敲除星形胶质细胞自身 SNCA 并不影响该效应，证明致病种子来源于星形胶质细胞对神经元α-Syn的加工改造而非其自身表达。

最后，研究人员发现 APOE4/4 星形胶质细胞存在胆固醇异常蓄积，且胆固醇积累与溶酶体功能障碍共存。使用环糊精（MβCD或2HβCD）降低胆固醇水平可显著恢复 APOE4/4 星形胶质细胞的溶酶体蛋白水解活性和酸性细胞器数量，并改善其对α-Syn的摄取和溶酶体共定位。在miBrain层面，MβCD处理7天可显著降低 APOE4/4 miBrain中神经元p-Syn水平至接近 APOE3/3 水平，证实靶向胆固醇代谢可逆转APOE4驱动的α-Syn病理，为APOE4携带者的突触核蛋白病提供了潜在治疗策略 。

图一 miBrain揭示APOE4介导的胆固醇代谢异常与α-突触核蛋白聚集的因果关联

总之，该研究利用人iPSC来源的三维脑组织模型揭示了APOE4通过星形胶质细胞胆固醇蓄积导致内溶酶体功能障碍，进而促进α-突触核蛋白病理发生与神经元间传播的机制，为APOE4携带者相关的突触核蛋白病提供了新的治疗靶点和药物筛选平台。

https://www.cell.com/cell-stem-cell/fulltext/S1934-5909(26)00302-4

制版人： 十一

参考文献

1. Hardy, J.A., and Higgins, G.A. (1992). Alzheimer’s disease: the amyloid cascade hypothesis.Science256, 184–185.

2. Hansen, L.A., Masliah, E., Galasko, D., and Terry, R.D. (1993). Plaqueonly Alzheimer disease is usually the lewy body variant, and vice versa.J. Neuropathol. Exp. Neurol.52, 648–654.

3. Hamilton, R.L. (2000). Lewy bodies in Alzheimer’s disease: a neuropathological review of 145 cases using alpha-synuclein immunohistochemistry.Brain Pathol.10 , 378–384.

4. Chung, E.J., Babulal, G.M., Monsell, S.E., Cairns, N.J., Roe, C.M., and Morris, J.C. (2015). Clinical Features of Alzheimer Disease With and Without Lewy Bodies.JAMA Neurol.72, 789–796.

5. Capouch, S.D., Farlow, M.R., and Brosch, J.R. (2018). A Review of Dementia with Lewy Bodies’ Impact, Diagnostic Criteria and Treatment.Neurol. Ther.7, 249–263.

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