胃肠道诱导的 α-突触核蛋白和 tau 蛋白传播引发帕金森和阿尔茨海默病的共病病理和行为损害

神经病学 医学影像 生命科学 胃肠系统 医学 细胞生物学
α-突触核蛋白 tau蛋白 帕金森病 阿尔茨海默病 行为障碍 胃肠道传播 神经元损伤

胃肠道诱导的α-突触核蛋白和Tau蛋白传播引发帕金森病和阿尔茨海默病的共病病理及行为损伤

背景介绍

帕金森病（Parkinson’s Disease, PD）和阿尔茨海默病（Alzheimer’s Disease, AD）是两种常见的神经退行性疾病，分别由α-突触核蛋白（α-synuclein, a-syn）和Tau蛋白在大脑中聚集形成异常包涵体所致。Braak等研究提出一种假说，即PD的致病蛋白α-syn可能在胃肠道中的肠神经系统（Enteric Nervous System, ENS）先行聚集，并通过迷走神经向上传播至中枢神经系统（Central Nervous System, CNS）。然而，传统的PD模型在精确模拟胃肠道到脑部的致病蛋白传播上存在技术瓶颈。因此，建立更具真实性的模型以便更好地研究该过程的病理机制成为学术界的关注重点。

研究概述及发表来源

此研究由西安第四军医大学、西京医院和深圳大学高级技术研究院等机构的学者共同完成，研究成果发表于2024年《Neuron》期刊。作者利用转基因小鼠模型探讨了胃肠道诱导的a-syn和Tau蛋白在肠神经系统中的聚集，并通过迷走神经传播至脑部的机制，首次展示了a-syn和Tau在肠道和脑部的双重病理传播的潜在路径。

研究方法

该研究建立了胃肠道诱导的转基因小鼠模型，以模拟a-syn和Tau蛋白的肠道到脑的传播过程。具体方法包括：

  1. 模型构建：利用Tet-On系统，研究人员构建了表达带有红色荧光蛋白标记的a-syn N103和Tau N368的双基因敲入转基因小鼠。通过口服四环素诱导，这些致病蛋白在小鼠的ENS中表达，能够在不同时间点观测其在肠道和脑部的积累。

  2. 蛋白表达检测：对小鼠在0、2和10个月时进行了胃肠道组织染色，检测到了RFP标记的a-syn和Tau蛋白在不同肠道部位的分布，证实了两种蛋白在ENS中的特异性表达。为了排除抗生素可能的干扰，实验设置了野生型小鼠对照组，未观察到a-syn或Tau蛋白的异常积累。

  3. 聚集检测及脑内传播：通过免疫荧光染色检测了a-syn和Tau蛋白在迷走神经核（DMV）、孤束核（NTS）以及蓝斑、海马等脑部区域的分布情况，结果显示这些蛋白从肠道向脑部扩散。进一步采用新开发的a-syn PET示踪剂[^18F]-F0502B对小鼠进行了体内PET-CT成像，观测到肠道及脑部的a-syn聚集。

  4. 神经元损失和行为学检测：研究分析了转基因小鼠的运动功能、认知功能及焦虑样行为。通过转棒、Morris水迷宫、开放场测试等，检测到在a-syn和Tau蛋白积累后的0到10个月间，小鼠出现运动功能障碍、空间记忆缺损及焦虑行为，模拟了PD及AD患者的行为症状。

  5. 迷走神经切断实验：研究人员通过迷走神经切断实验，证明了该神经通路在蛋白传播中的关键作用。切断迷走神经后，小鼠脑部的a-syn和Tau蛋白积累显著减少，神经元损失减轻，进一步验证了胃肠道到脑传播的神经生物学机制。

研究结果

研究结果展示了a-syn和Tau蛋白从肠道向脑部传播的多步骤过程，并伴随明显的神经元损伤及行为异常：

  1. 蛋白聚集：在胃肠道中逐渐积累的a-syn N103和Tau N368在胃肠道组织切片中形成了可视化的聚集，聚集程度随着时间递增。在高表达的区域（结肠、盲肠）中，a-syn和Tau蛋白显示出明显的共定位现象。

  2. 传播路径：在肠道聚集后，蛋白逐步传播至DMV和NTS，并在2个月内进一步扩散至蓝斑核（LC）、海马（HC）、黑质等区域。双基因敲入小鼠显示出更为广泛的传播和更严重的神经元丢失，表明a-syn和Tau共存可能增强了传播能力。

  3. 神经元丢失及功能障碍：在传播过程中，小鼠的多种脑区（如黑质、前扣带皮层和蓝斑核）神经元密度显著减少，与PD病理表现一致。此外，a-syn和Tau的聚集导致转基因小鼠出现行为异常，包括运动功能下降、空间记忆减退和焦虑样行为等，这些行为缺陷与人类PD和AD症状高度相关。

  4. PET成像检测：通过[^18F]-F0502B示踪剂，小鼠体内的a-syn积累得以可视化。该示踪剂在PET-CT成像中显示出肠道和脑部的高信号，验证了其作为早期检测工具的潜力。

  5. 迷走神经作用验证：迷走神经切断手术减少了蛋白在脑中的扩散和聚集，同时降低了神经元丢失，证实了迷走神经在蛋白传播路径中的关键作用。

研究结论

本研究构建的胃肠道诱导转基因小鼠模型真实再现了a-syn和Tau从肠道向脑传播的病理过程，揭示了两者的协同效应对神经元损伤及行为异常的影响。关键发现包括a-syn和Tau蛋白可以在胃肠道中共同积聚并通过迷走神经传播至脑部，导致广泛的神经元丢失和行为损伤。这一发现不仅深化了PD和AD病理机制的理解，也为临床早期诊断和干预提供了新的视角。

研究意义与价值

本研究的重要性在于其创新性的模型方法以及对胃肠道到脑部蛋白传播的深入探索。通过转基因小鼠模型，研究展示了PD和AD的可能早期病理过程，强化了胃肠道在神经退行性疾病发病中的潜在角色。此外，利用[^18F]-F0502B作为PET示踪剂对胃肠道和脑部蛋白聚集的成像检测展示了实际应用的可能性，为未来诊断帕金森病和阿尔茨海默病提供了新方向。

研究亮点

  1. 创新性模型：基于Tet-On系统的肠道诱导a-syn和Tau转基因小鼠模型首次实现了胃肠道至脑部的蛋白传播路径的再现，为后续研究提供了可靠工具。
  2. 成像技术进展：开发的[^18F]-F0502B PET示踪剂可以在体内检测a-syn聚集，为帕金森病的早期筛查提供了潜在的应用手段。
  3. 迷走神经的重要性：实验验证了迷走神经在蛋白传播过程中的重要作用，为靶向迷走神经的治疗手段提供了理论依据。

展望

未来研究应继续探索胃肠道至脑的传播机制，特别是其他可能的传播通路。此外，改进PET成像技术以提高空间分辨率，有助于更清晰地显示脑部具体区域的病理分布。