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将人类神经元移植到小鼠大脑中揭示了APOE4蛋白与免疫细胞之间的致病相互作用。
在健康的大脑中，被称为小胶质细胞的免疫细胞会对损伤进行巡逻，清除碎片和有害蛋白质。但根据Gladstone研究所科学家的一项新研究，在APOE4蛋白（阿尔茨海默病最重要的遗传风险因素）存在的情况下，同样的细胞会引起有害的炎症和错误折叠的蛋白质团块。
该团队创建了一个新的研究模型，用于研究阿尔茨海默氏症，该模型涉及将产生APOE4蛋白的人类神经元移植到老鼠的大脑中。
当他们从大脑中移除小胶质细胞时，他们发现APOE4蛋白不再引发淀粉样蛋白或tau蛋白的沉积，这两种错误折叠的蛋白质是阿尔茨海默病的标志。
“这项研究强调了小胶质细胞的重要性，与人类神经元产生的APOE4一致，在阿尔茨海默氏症中，”Gladstone高级研究员Yadong Huang博士说，他监督了发表在《Cell Stem Cell》上的这项新研究。“我们的研究结果表明，减少小胶质细胞的药物最终可能有助于治疗这种疾病。”
人类体内有三种主要的APOE蛋白。与最常见的APOE3蛋白相比，APOE4蛋白会增加患阿尔茨海默病的风险，而APOE2蛋白会降低患阿尔茨海默病的风险。
大约四分之一的美国人至少有一个APOE4基因副本，大约3%的人有两个副本，这使得这些人特别容易患上这种疾病。
“携带两个APOE4基因副本的人患阿尔茨海默病的风险是携带APOE3基因的人的12倍，”Gladstone转化进步中心的主任，加州大学旧金山分校神经病学和病理学系的教授Huang说。
为了研究APOE变体与脑细胞之间复杂的相互作用，Huang和他的团队长期以来一直依赖于小鼠模型，就像许多其他研究小组所做的那样。然而，在老鼠身上模仿人类的大脑是很困难的；通常将人类APOE4基因添加到小鼠体内，并不能完全捕捉到人类脑细胞在阿尔茨海默病中的表现。
在这项新研究中，Huang的团队开发了一种“嵌合”小鼠模型，该模型不仅携带人类APOE基因，还包含被移植到大脑中的人类神经元。重要的是，这些神经元是在大脑成熟后移植的，这使得研究人员能够模拟晚发性阿尔茨海默病。
之前建立表达晚发性阿尔茨海默病特征的小鼠模型的尝试都失败了，因为他们只使用APOE4蛋白，没有移植人类神经元。
“创建这个小鼠模型为我们提供了一个更现实的方法来研究携带APOE4基因的人类神经元如何在老年人的活大脑中导致阿尔茨海默病，”Huang实验室的研究生Antara Rao说，她领导了这项新研究的实验。
Huang和他的同事已经知道，APOE4导致人类大脑中淀粉样蛋白斑块和tau蛋白缠结的水平高于正常水平。在新的嵌合小鼠模型中，研究人员证实，随着小鼠年龄的增长，人类APOE4神经元的存在会导致淀粉样蛋白和tau蛋白的高水平沉积。
他们还表明，人类APOE3神经元导致了中等水平的聚集体，而完全缺乏APOE基因的人类神经元导致了更少的tau聚集体和分散的淀粉样蛋白沉积，而不是密集的有害聚集体。
Huang说：“事实证明，更准确地模拟迟发性阿尔茨海默病需要人类神经元，而不是小鼠神经元，在小鼠大脑中产生APOE4。”
Huang的研究小组先前发现，产生人类APOE4的小鼠神经元释放激活小胶质细胞的分子信号。这一次，他们使用新的小鼠模型来更详细地探测小胶质细胞和产生APOE4的人类神经元之间的联系。
研究人员使用一种药物选择性地从嵌合小鼠的大脑中去除小胶质细胞。在具有人类APOE4神经元的小鼠中，他们发现淀粉样蛋白和tau蛋白聚集物的水平显著降低，这表明APOE4和小胶质细胞共同作用，驱动了阿尔茨海默病的关键属性。
Rao和她的同事们的研究指出，对于携带APOE4基因的人来说，减缓或预防阿尔茨海默氏症的进展是有希望的策略，这些人患阿尔茨海默氏症的风险更大。
然后，研究小组转向单细胞RNA测序——一种研究单个细胞中基因活性的强大技术——来确定每个小鼠模型的小胶质细胞中哪些基因被激活。
他们发现，当含有APOE4和APOE3的人类神经元存在时，小胶质细胞中的炎症分子水平会增加。在携带人类APOE4神经元的小鼠中，具有最具炎症分子特征的小胶质细胞占所有小胶质细胞的30%，在携带人类APOE3神经元的小鼠中占所有小胶质细胞的20%，而在携带缺乏APOE基因的人类神经元的小鼠中，仅占所有小胶质细胞的8%。
Rao说：“总之，这些结果表明，小胶质细胞被人类神经元产生的APOE4激活，反过来，可能有助于形成我们在阿尔茨海默氏症中看到的错误折叠的蛋白质聚集体。”
这一发现为研究人员了解小胶质细胞如何在阿尔茨海默氏症中出现问题提供了新的途径，在人类神经元产生的APOE4存在的情况下，小胶质细胞如何从正常的保护状态转变为有害状态。
该研究还表明，通过减少小胶质细胞的数量或它们的炎症活动水平，可以降低神经元或靶向小胶质细胞中APOE4水平的药物，可能是减缓或预防APOE4基因携带者阿尔茨海默病进展的一种有希望的策略。
然而，还需要做更多的工作来证明这些潜在的策略是否对人类有效，针对神经元APOE4或小胶质细胞的副作用是什么，以及这种治疗的时机如何起作用。
研究人员还希望利用他们的新嵌合小鼠来研究其他细胞类型在阿尔茨海默病中的作用。
“我们的新小鼠模型，以及这些初步结果，为更好地理解阿尔茨海默病，特别是在APOE4的背景下，以及开发可以治疗它的新药提供了一条道路，”Huang说。
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