人腦組織庫建設(shè)對阿爾茨海默病研究的意義

杜鵑 楊倩 米世雄 樊平 崔慧先 黃越

隨著人口老齡化的加劇，神經(jīng)退行性病變越來越嚴(yán)重影響人類健康，給家庭和社會造成巨大精神和經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。美國、歐盟、日本等發(fā)達(dá)國家紛紛啟動“腦計劃”以揭示大腦奧秘。我國科學(xué)家經(jīng)過多年醞釀，依據(jù)科技創(chuàng)新2030——“腦科學(xué)與類腦研究”提出研究方向，圍繞腦認(rèn)知原理解析、認(rèn)知功能障礙相關(guān)重大腦疾病發(fā)病機(jī)制與干預(yù)技術(shù)研究、類腦計算與腦機(jī)智能技術(shù)及應(yīng)用、兒童青少年腦智發(fā)育研究、技術(shù)平臺建設(shè)共五方面部署。其中，針對阿爾茨海默病的研究，以人群為主要研究對象，探討標(biāo)志物異常表征、新型發(fā)病機(jī)制、危險因素綜合干預(yù)、認(rèn)知功能訓(xùn)練平臺、新型藥物等，從而揭示參與阿爾茨海默病發(fā)生與發(fā)展的新機(jī)制。然而，對人腦本質(zhì)性的認(rèn)識往往依賴以人腦組織為材料進(jìn)行的直接研究，但受限于倫理學(xué)，研究者難以通過外科手術(shù)獲得正常腦組織樣本，更難以獲得完整腦組織。因此，建設(shè)人腦組織庫（以下簡稱腦庫），收集尸檢和活檢的人腦組織、采集捐獻(xiàn)者生前疾病信息，從而為科學(xué)工作搭建平臺，以直接研究疾病本體的模式揭示腦疾病的本質(zhì)［1］。文獻(xiàn)綜述有助于揭示某一特定領(lǐng)域的研究發(fā)展歷史和未來研究之趨勢［2］，本文重點回顧既往3年Cell、Nature和Science等國際頂級期刊發(fā)表的人腦組織與阿爾茨海默病及相關(guān)疾病研究成果（表1），旨在綜述人腦組織在阿爾茨海默病研究中的應(yīng)用，以作為我國相關(guān)研究的借鑒。

表1 2018-2020年發(fā)表的人腦組織在阿爾茨海默病及相關(guān)疾病研究成果Table 1. Research on the use of human brain tissues in Alzheimer's disease and related diseases published during 2018-2020

一、研究關(guān)注點

檢索美國國立醫(yī)學(xué)圖書館生物醫(yī)學(xué)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫（PubMed）2018-2020年文題和（或）摘要同時出現(xiàn)阿爾茨海默病及其他關(guān)鍵詞的文獻(xiàn)共48 305篇，發(fā)現(xiàn)β-淀粉樣蛋白（Aβ）、tau蛋白和病理仍為目前阿爾茨海默病研究的主題，分別為6955、5426和5006篇，各占文獻(xiàn)總量的14.40%、11.23%和10.36%（圖1）。

圖1 2018-2020年P(guān)ubMed中阿爾茨海默病研究所出現(xiàn)的關(guān)鍵詞Figure 1 Keywords appeared in the research of Alzheimer's disease through searching PubMed limited from 2018 to 2020.

二、人腦組織研究取得的突破性進(jìn)展

1.蛋白質(zhì)分子生物學(xué)結(jié)構(gòu)研究 2020年，美國哥倫比亞大學(xué)和梅奧診所（Mayo Clinic）聯(lián)合在Cell發(fā)表研究成果，研究者從來自梅奧診所腦庫的2例皮質(zhì)基底節(jié)變性（CBD）和1例阿爾茨海默病的人腦組織中提取tau蛋白并行冷凍電子顯微鏡檢查，通過比較二者tau蛋白纖維結(jié)構(gòu)和翻譯后修飾，發(fā)現(xiàn)tau蛋白泛素化可以修飾tau蛋白纖維之間的界面，進(jìn)而提出基于結(jié)構(gòu)的模型分析，建立多態(tài)tau蛋白纖維結(jié)構(gòu)與神經(jīng)退行性病變之間的框架［3］。同年，英國劍橋大學(xué)MRC分子生物實驗室對來自其腦庫的3例皮質(zhì)基底節(jié)變性的人腦組織進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)其存在4R tau蛋白纖維結(jié)構(gòu)［4］；該實驗室還對來自劍橋大學(xué)腦庫的5例多系統(tǒng)萎縮（MSA）和3例路易體癡呆（DLB）的人腦組織提取共核蛋白并分析其結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)α-突觸核蛋白（α-Syn）包涵體由兩種類型纖維組成，每種纖維亦由兩種原纖維組成，即每種纖維中非蛋白分子均存在于兩種原纖維界面上，且多系統(tǒng)萎縮與路易體癡呆人腦組織α-Syn蛋白絲不同［5］，這兩項研究成果均發(fā)表于Nature?？梢姷鞍踪|(zhì)功能由其結(jié)構(gòu)決定，因此，蛋白質(zhì)分子生物學(xué)結(jié)構(gòu)對藥物設(shè)計與研發(fā)以及疾病治療具有重要意義。

2.單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組學(xué)研究 美國Rush大學(xué)醫(yī)學(xué)中心Rush腦庫接受捐獻(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)是捐獻(xiàn)者須有生前標(biāo)準(zhǔn)化臨床隨訪資料，且這些臨床資料的采集是以臨床研究項目開展的。美國麻省理工學(xué)院腦與認(rèn)知科學(xué)系基于信仰與Rush記憶和衰老研究（Religious Orders Study and Rush Memory and Aging Project）［6-7］對Rush腦庫的人腦組織進(jìn)行阿爾茨海默病單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組學(xué)研究，取材24例阿爾茨海默病和24例正常對照人腦組織的前額葉皮質(zhì)，分析6種神經(jīng)細(xì)胞類型，即興奮性神經(jīng)元、抑制性神經(jīng)元、星形膠質(zhì)細(xì)胞、少突膠質(zhì)細(xì)胞、小膠質(zhì)細(xì)胞、少突膠質(zhì)前體細(xì)胞，共獲得80 660個單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組，包括與病理和特征有關(guān)的髓鞘形成、炎癥反應(yīng)和神經(jīng)元存活的調(diào)節(jié)因子，從而認(rèn)為髓鞘形成參與阿爾茨海默病的發(fā)生［8］。

3.炎癥反應(yīng)與tau蛋白病理發(fā)生機(jī)制研究 核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域樣受體蛋白3（NLRP3）炎性小體激活可導(dǎo)致tau蛋白病理改變［9］。德國Bonn大學(xué)醫(yī)院對來自Barcelona臨床醫(yī)院生物樣本庫的9例額顳葉癡呆（FTD）和8例正常對照的人腦組織進(jìn)行驗證，結(jié)合轉(zhuǎn)基因動物模型發(fā)現(xiàn)，NLRP3炎性小體激活時聚集于小膠質(zhì)細(xì)胞內(nèi)，促使Caspase-1和下游白細(xì)胞介素-1β（IL-1β）釋放；通過調(diào)節(jié)tau蛋白激酶和磷酸酯酶以減少tau蛋白高度磷酸化和聚集，從而減弱NLRP3炎性小體功能；腦組織內(nèi)注射Aβ可NLRP3依賴方式誘導(dǎo)病理性tau蛋白纖維形成［9］。

4.β-淀粉樣蛋白寡聚體通過血管周細(xì)胞收縮毛細(xì)血管研究 Aβ寡聚體可以通過血管周細(xì)胞收縮阿爾茨海默病人腦組織的毛細(xì)血管［10］。阿爾茨海默病早期腦血流量減少，因腦組織中的絕大多數(shù)血管阻力存在于毛細(xì)血管，表現(xiàn)為毛細(xì)血管壁可收縮周細(xì)胞功能障礙，因此有研究者驗證是否存在Aβ通過周細(xì)胞收縮毛細(xì)血管的現(xiàn)象。英國倫敦大學(xué)學(xué)院（UCL）和Queen Square國家神經(jīng)內(nèi)外科醫(yī)院對13例腫瘤手術(shù)切除的大腦皮質(zhì)行免疫組化染色，結(jié)果顯示，6例無Aβ沉積，3例Aβ適度沉積，4例Aβ大量沉積，隨著Aβ沉積的加重，毛細(xì)血管管徑逐漸變小。腦組織毛細(xì)血管周細(xì)胞上的Aβ壓縮腦血管，這是由Aβ產(chǎn)生活性氧引起內(nèi)皮素-1（ET-1）的釋放、激活周細(xì)胞ETA受體所致［10］。該研究結(jié)論在嚙齒動物模型中得到驗證，阿爾茨海默病小鼠模型腦組織中亦發(fā)生毛細(xì)血管收縮而非小動脈收縮［10］。因此，抑制Aβ引起的毛細(xì)血管收縮可能減少阿爾茨海默病患者的能量缺乏、改善神經(jīng)退行性變。

5.β-淀粉樣蛋白依賴性神經(jīng)元高度激活的惡性循環(huán) 德國慕尼黑工業(yè)大學(xué)研究所用阿爾茨海默病人腦組織來自美國麻省總醫(yī)院麻省ADRC神經(jīng)病理核心實驗室，取材1例67歲男性阿爾茨海默病患者（Braak分期Ⅵ期）腦組織用于制備水溶性提取物，取材1例69歲女性阿爾茨海默病患者（Braak分期Ⅴ期）的大腦皮質(zhì)用于分離淀粉樣斑塊，結(jié)合Aβ沉積小鼠模型發(fā)現(xiàn)，神經(jīng)元高活化是由于抑制谷氨酸再攝取引起的，Aβ介導(dǎo)的神經(jīng)元激活具有明顯的神經(jīng)元特異性；進(jìn)一步對存在阿爾茨海默病病理改變的人腦組織進(jìn)行Aβ二聚體提取和純化，同樣發(fā)現(xiàn)上述正反饋現(xiàn)象，并認(rèn)為該現(xiàn)象是阿爾茨海默病神經(jīng)炎性斑［NPs，亦稱老年斑（SPs）］形成的早期機(jī)制，表明阿爾茨海默病早期環(huán)路功能障礙系A(chǔ)β依賴性神經(jīng)元高度激活所致［11］。

6.睡眠-覺醒周期對腦間質(zhì)液tau蛋白的調(diào)節(jié)研究 睡眠-覺醒周期可以調(diào)節(jié)阿爾茨海默病人腦組織間質(zhì)液和腦脊液中的累積Aβ水平［12］，而慢性睡眠剝奪可促進(jìn)Aβ斑塊形成，其中，tau蛋白的累積可以驅(qū)動阿爾茨海默病的神經(jīng)退化。美國華盛頓大學(xué)納入8～16只小鼠（B6C3F1/J，P301S，B6C3-Tg，APP/PS-1）的腦組織以及6例認(rèn)知功能正常者（30～60歲）的腦脊液，以探討睡眠-覺醒周期和睡眠剝奪是否影響腦間質(zhì)液和腦脊液中tau蛋白表達(dá)、形成和擴(kuò)散。結(jié)果顯示，小鼠腦間質(zhì)液tau蛋白水平在正常覺醒期較睡眠期增加約90%、在睡眠剝奪期較睡眠期間增加100%，人腦脊液tau蛋白水平在睡眠剝奪期較睡眠期增加＞50%；進(jìn)一步觀察tau蛋白形成和擴(kuò)散，發(fā)現(xiàn)慢性睡眠剝奪可促進(jìn)小鼠腦間質(zhì)液tau蛋白的病理性擴(kuò)散，特別是小鼠的化學(xué)驅(qū)動覺醒可顯著升高腦間質(zhì)液中Aβ和tau蛋白水平，表明睡眠-覺醒周期可以調(diào)節(jié)腦間質(zhì)液tau蛋白的表達(dá)，睡眠剝奪可以增加腦間質(zhì)液和腦脊液中tau蛋白的表達(dá)和病理性擴(kuò)散［12］。

7.空間轉(zhuǎn)錄組和原位測序研究 比利時VIB腦疾病研究中心從荷蘭腦庫獲取3例阿爾茨海默?。ㄆ骄挲g76歲）以及3例非癡呆對照（平均年齡為75歲）人腦組織額上回樣本，均為女性。他們在前期的動物實驗中采用空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)觀察到，阿爾茨海默病小鼠模型Aβ斑塊周圍直徑100μm的結(jié)構(gòu)域內(nèi)發(fā)生轉(zhuǎn)錄變化，證實阿爾茨海默病早期改變與髓鞘和少突膠質(zhì)細(xì)胞相關(guān)基因有關(guān)，而阿爾茨海默病后期改變則與補(bǔ)體系統(tǒng)、氧化應(yīng)激、溶酶體和炎癥相關(guān)基因有關(guān)，并進(jìn)一步采用原位測序方法在小鼠和人腦組織切片上得到確認(rèn)［13］。由此可見，全基因組空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)為闡明阿爾茨海默病及其他腦疾病提供了一種前所未有的方法。

8.體細(xì)胞APP基因重組研究 人腦多樣性和復(fù)雜性被廣泛認(rèn)為是編碼在1個恒定的基因組中，而體細(xì)胞基因重組通過改變種系DNA序列以增加分子多樣性，理論上可以改變這種編碼，但并未在人腦組織中證實。美國Sanford Burnham Prebys醫(yī)學(xué)研究所研究用新鮮人腦組織由美國圣地亞哥大學(xué)阿爾茨海默病研究中心、加州大學(xué)歐文分校神經(jīng)損傷和障礙研究所和馬里蘭大學(xué)腦組織庫提供，包括7例散發(fā)性阿爾茨海默病和7例正常對照人腦組織，該項研究發(fā)現(xiàn)阿爾茨海默病相關(guān)編碼β-淀粉樣前體蛋白（APP）的基因在神經(jīng)元中以數(shù)千種變體“基因組c DNAs”的嵌合體形式存在［14］。DNA原位雜交鑒定出單個神經(jīng)元中基因組cDNAs與野生型位點不同，而非神經(jīng)元中不存在基因組cDNAs，神經(jīng)元“反向插入”RNA產(chǎn)生基因組cDNAs，這一過程包括轉(zhuǎn)錄、DNA斷裂、逆轉(zhuǎn)錄酶活性和老化。散發(fā)性阿爾茨海默病人腦組織神經(jīng)元可見增加的基因組cDNAs多樣性，包括11種已知的與家族性阿爾茨海默病相關(guān)的突變，而正常對照人腦組織神經(jīng)元則不存在這些突變，表明神經(jīng)元基因重組可能允許“記錄”神經(jīng)活動，選擇性“回放”繞過剪接表達(dá)的首選基因變體，這對細(xì)胞多樣性、學(xué)習(xí)和記憶、可塑性以及腦疾病均有影響［14］。

9.大腦皮質(zhì)環(huán)狀RNA表達(dá)圖譜顯示出臨床與病理的關(guān)聯(lián)性 美國華盛頓大學(xué)醫(yī)學(xué)院對來自其Knight阿爾茨海默病研究中心的83例阿爾茨海默病和13例正常對照人腦組織的頂葉皮質(zhì)進(jìn)行RNA測序，并參考西奈山腦庫（MSBB）中阿爾茨海默病RNA測序數(shù)據(jù)，定量測定阿爾茨海默病背景下頂葉皮質(zhì)環(huán)狀RNA（circRNA）的表達(dá)變化，結(jié)果顯示，circRNA含量與阿爾茨海默病診斷、臨床癡呆嚴(yán)重程度和神經(jīng)病理嚴(yán)重程度顯著相關(guān)，而大多數(shù)阿爾茨海默病相關(guān)circRNA與mRNA表達(dá)無關(guān)，亦與各類型神經(jīng)細(xì)胞比例無關(guān)［15］。該項研究還觀察到，阿爾茨海默病相關(guān)circRNA與已知的阿爾茨海默病相關(guān)致病基因（APP、SNCA）共表達(dá)，并在阿爾茨海默病相關(guān)circRNA中識別出潛在的靶向致病微小RNA（mic RNA）結(jié)合位點。上述研究結(jié)果強(qiáng)調(diào)了分析非線性RNA的重要性，并可用于支持circRNA在阿爾茨海默病發(fā)病機(jī)制中潛在作用的研究［15］。

由此可見，通過總結(jié)2018-2020年阿爾茨海默病及相關(guān)疾病的重大研究成果，發(fā)現(xiàn)人腦組織在阿爾茨海默病及相關(guān)疾病的突破性研究中發(fā)揮重要作用。雖然人腦組織數(shù)量是腦庫建設(shè)的衡量指標(biāo)之一，但并不完全取決于人腦組織的儲存數(shù)量，例如，Cell、Nature和Science等國際頂級期刊發(fā)表的相關(guān)研究中人腦組織數(shù)量均較少（表1），而是更主要取決于研究問題、研究技術(shù)和方法，以及各交叉學(xué)科技術(shù)的融合。

為適應(yīng)神經(jīng)科學(xué)和神經(jīng)病學(xué)研究的快速發(fā)展，我國的腦庫逐步建立并完善。2017年，以基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院為核心，我國成立中國人腦組織庫協(xié)作聯(lián)盟，制訂《中國人腦組織庫標(biāo)準(zhǔn)化操作方案》［16-17］；還成立中國解剖學(xué)會人腦庫研究分會。同年，國家科技部批準(zhǔn)依托中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院和浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院成立國家發(fā)育和功能人腦組織資源庫、國家健康和疾病人腦組織資源庫。2018年，以臨床醫(yī)學(xué)院為核心，國家神經(jīng)系統(tǒng)疾病臨床醫(yī)學(xué)研究中心籌建中心腦庫共同體［18］。河北醫(yī)科大學(xué)腦庫作為中國人腦組織庫協(xié)作聯(lián)盟單位和國家發(fā)育和功能人腦組織資源庫共建單位，積極參與并撰寫《人腦組織庫生物安全防護(hù)共識》（待發(fā)表）。通過各單位的共同努力，在一定程度上改善我國科學(xué)家“無腦可用”的窘迫狀況［19］?；谶@些樣本資源，國內(nèi)研究者在中國人腦病理與生前認(rèn)知功能相關(guān)性、衰老及阿爾茨海默病人腦組織Aβ斑塊蛋白質(zhì)譜等方面開展相關(guān)研究［20］。同時，針對我國腦科學(xué)研究的逐步推進(jìn)，腦庫作為其中的重要技術(shù)平臺，參與到阿爾茨海默病等認(rèn)知功能障礙疾病的隊列研究中，共享樣本和數(shù)據(jù)，結(jié)合臨床診斷和尸檢病理，揭示阿爾茨海默病發(fā)生發(fā)展的新機(jī)制、篩查作用明確且可干預(yù)的危險因素、獲得早期精確診斷標(biāo)志物和治療靶點，從而在神經(jīng)系統(tǒng)疾病診斷、治療、預(yù)防中發(fā)揮越來越重要的作用。堅信我國腦庫的發(fā)展將更加具有國際影響力和競爭力！

利益沖突 無