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单细胞 RNA 测序为寻找新的阿尔茨海默病药物靶点铺新路
发布时间:2020-11-06 浏览次数:117
自1906年首次发现阿尔茨海默病(AD)以来,我们对它的科学认识已经有了很大的进步。然而在预测每个人的疾病如何进展时,目前仍存在很大的不确定性。

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通过功能性磁共振成像生成的整个大脑的多色图像(经过处理)。

  图片来源:美国国立卫生研究院,国家精神卫生研究所(侵删)。

自 1906 年首次发现阿尔茨海默病(AD)以来,我们对它的科学认识已经有了很大的进步。然而在预测每个人的疾病如何进展时,目前仍存在很大的不确定性。例如,我们不知道为什么有些人在确诊后可以存活 20 年,而事实上确诊后的平均存活年限只有 4 到 8 年(1)。2020 年初,两项针对 β - 淀粉样蛋白(Aβ,阿尔茨海默病的主要临床表现为 Aβ 蛋白的积累(2))的临床试验均遭遇失败——使得我们在对这种疾病认知上的空白逐渐浮出水面。这些失败,加上此前许多候选药物无法减轻认知能力下降的挫折,一些研究人员重新回到实验室——他们希望更好地了解与 AD 进展相关的细胞类型,并鉴定新的药物靶点(3)。


追踪 AD 进展过程中星形胶质细胞的基因表达变化

据报道,非神经元细胞在阿尔茨海默病的发作和进展中起一定作用。然而,具体机制仍不清楚,部分原因在于这些细胞的异质性让传统的大量细胞分析充满挑战(4,5)。认识到这一基本问题后,来自耶路撒冷希伯来大学、魏兹曼研究所、Broad 研究所和麻省理工学院的研究人员联合构建了详细的海马体细胞分子图谱,以鉴定这一脑区的非神经元细胞群在 AD 中扮演的角色(5)。

为了构建这些图谱,研究人员采用 Chromium 单细胞基因表达技术,对野生型小鼠或转基因 AD 小鼠模型海马体中的 54,769 个单细胞核开展 RNA-seq 分析。他们的比较分析表明,星形胶质细胞可分为三种主要的转录状态,其中一种是 AD 模型所特有的。时间点分析表明,AD 特异性的亚群,又称为疾病相关的星形胶质细胞(DAA),出现在认知能力下降之前,而且各个时间点的发生率逐渐增加,反映出更晚期的疾病状态。此外,这个亚群位于疾病表现最严重的大脑区域中 Aβ 斑块的附近。

尽管动物模型为了解疾病机制提供了一个很好的窗口,但从这些模型中获得的结论并不一定能够转化到人类疾病。这项研究从这些结果与人类的相关性中排除了猜测,发现了衰老的死后大脑中三种不同转录状态的等效物以及 AD 患者中较高频率的 DAA 样细胞。这些结果表明了星形胶质细胞在阿尔茨海默病(特别是最初的发病机制)中的动态激活过程,并暗示 DAA 有望成为新的治疗靶点。

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健康大脑与重症阿尔茨海默病大脑的比较。

图片来源:美国国立卫生研究院,国家衰老研究所(侵删)。


TREM2 的治疗潜力:从实验室发现到临床前验证

小胶质细胞是研究人员一直在重点研究的另一种非神经元细胞。受体蛋白的变体,比如髓样细胞触发性受体 2(TREM2),与阿尔茨海默病的风险增加相关(6)。2020 年 1 月,由华盛顿大学医学院的资深研究员 Marco Colonna 领导的国际研究团队在《Nature Medicine》杂志上发表文章,报道了一项全面的基因表达研究,对小鼠和人类大脑中与 TREM2 相关的转录变化进行了分析(7)。

有趣的是,通过 Chromium 单细胞基因表达开展的单核测序表明,小鼠模型和人类大脑中的 AD 病症所表达的转录特征大相径庭。AD 小鼠模型含有一个独特的活化小胶质细胞群体,称为疾病相关的小胶质细胞(DAM),其存在依赖于 Aβ 和 TREM2。相比之下,人类 AD 样本中的小胶质细胞群体,其转录特征与外周神经损伤中观察到的相似。不过,这还不是 TREM2 故事的最终结局。这项研究还发现,表达 TREM2 的 R47H 和 R62H 变体的患者在小胶质细胞的激活上存在缺陷,这表明 TREM2 仍在人类 AD 发病机理中起到重要作用。

这些发现以及其他一些有希望的基础研究,提出 TREM2 有可能成为良好的治疗靶点。为了检验这种可能性,Colonna 实验室的成员与专注于神经退行性疾病的制药公司 Alector LLC 合作,对 AL002c(一种抗人 TREM2 的激动型单克隆抗体)是否能够调节小胶质细胞激活以及 AD 进行临床前验证(8)。在确认 AL002c 能够激活 hTREM2 后,他们采用 Chromium 单细胞基因表达技术来鉴定这种治疗剂的急性给药如何影响小胶质细胞的激活。

根据基因表达谱,他们将小胶质细胞(n = 31,948)细分为稳态小胶质细胞、1 期 DAM、过渡性小胶质细胞、增殖性小胶质细胞,以及表达 IFN 诱导基因的小胶质细胞。AL002c 的小鼠急性给药让具有稳态转录图谱的小胶质细胞数量下降,并让过渡性和增殖性小胶质细胞的数量增加,而这两种都是之前未发现的新亚型。在含有 TREM2 变体的转基因小鼠中也观察到这种诱导的增殖。

进一步的实验表明,持续的 AL002c 治疗在总体上产生了积极的结果,包括丝状 Aβ 斑块和神经突损害减少,受影响的行为减少,以及小胶质细胞炎症反应减轻。这些临床前评估以及人体首次 I 期临床试验的安全性结果表明,AL002c 作为一种有希望的 AD 治疗候选药物,值得进一步研究。


加深我们对 AD 的认识

尽管科学家还在努力揭示阿尔茨海默病的分子基础,但这些研究表明,有了单细胞 RNA-seq 等强大工具,他们如今有能力应对疾病的生物学复杂性。随着与疾病相关的细胞亚群的遗传和功能差异得到更好的鉴定,科学家能够解决之前无法回答的问题,清除影响我们全面认识 AD 的障碍。之后,他们可使用这些基本发现去评估新的、更有希望的药物靶点的临床前可行性。

本文来源:10x Genomics(侵删)

参考资料:

https://www.alz.org/alzheimers-dementia/facts-figures

https://www.advisory.com/daily-briefing/2020/02/12/alzheimers-disease

https://www.npr.org/sections/health-shots/2020/06/25/883026917/alzheimer-s-research-is-going-back-to-basics-to-find-best-way-forward

BD Strooper, E Karran. The Cellular Phase of Alzheimer’s Disease. Cell. 164, 603–615 (2016).

N Habib et al., Disease-Associated Astrocytes in Alzheimer’s Disease and Aging. Nat. Neurosci. 23, 701–706 (2020).

T K Ulland, M Colonna. TREM2 — A Key Player in Microglial Biology and Alzheimer Disease. Nat. Rev. Neurol. 14, 667–675 (2018).

Y Zhou et al., Human and Mouse Single-Nucleus Transcriptomics Reveal TREM2-Dependent and TREM2-Independent Cellular Responses in Alzheimer’s Disease. Nat. Med. 26, 131–142 (2020).

S Wang et al., Anti-Human TREM2 Induces Microglia Proliferation and Reduces Pathology in an Alzheimer’s Disease Model. J. Exp. Med. 217, e20200785 (2020).


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