MALDI-MSIと組織学の共登録は、アルツハイマー病におけるガングリオシドがアミロイドベータ斑と共局在することを示しています

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アルツハイマー病 ガングリオシド 脂質 MALDI-MSI デジタル病理学

MALDI-MSI と組織学の共局在研究によってアルツハイマー病における神経節苷脂とアミロイドβプラークの共局在を発見

アルツハイマー病（Alzheimer’s Disease, AD）は、認知機能の低下と行動変化を特徴とする進行性の神経変性疾患です。歴史的には、ADの研究は主に誤った折り畳みのタンパク質に焦点を当ててきましたが、質量分析技術の進展に伴い、ADの脂質プロファイリングの研究が徐々に注目を集めるようになり、脂質の異常な調節がADの病態に重要な役割を果たしていると考えられています。神経節苷脂（gangliosides）は中枢神経系に豊富に存在する糖脂質の一種であり、複雑なGM1が単純なGM2やGM3に変換されることが神経変性疾患の進展に関連している可能性が示されています。特に20炭素脂質鎖を持つ複雑な神経節苷脂は、加齢した脳で顕著に増加します。

この研究では、研究チームはマトリックス支援レーザー脱離イオン化質量分析イメージング（MALDI-MSI）技術を用いて、18または20炭素脂質鎖（d18:1 または d20:1）を持つaシリーズ神経節苷脂の位置関係を研究しました。研究結果は、アルツハイマー病脳の歯状回（dentate gyrus）と内嗅皮質（entorhinal cortex）の領域でGM1 d20:1とGM1 d18:1の比率が顕著に低下し、GM3が組織学的に確認されたアミロイドβプラークと共局在し、さらにアミロイドβプラークの周辺でGM1とGM3が顕著に増加していることを明らかにしました。これにより、ADにおける神経節苷脂の特徴が乱れている可能性が示され、MALDI-MSIと古典的な組織学的染色を同一組織切片で組み合わせる方法の有効性が確認されました。この手法は、質量分析イメージングに基づくデジタル病理学フレームワークの統合を推進します。 質谱成像与组织学的共注册

学術背景

アルツハイマー病（AD）は、記憶喪失、認知機能低下、行動変化を伴う破壊的な神経変性疾患です。毎年約990万件のAD症例が新たに報告されています。ADの神経病理学的特徴には、アミロイドβ（Aβ）プラークの沈着と過剰リン酸化されたタウタンパク質（神経原線維変化, NFTs）の集合に伴うシナプス退化と細胞死が含まれます。ほとんどのAD患者では、退行性プロセスが特定のパターンに従い、これは病気の神経病理学的ステージングの基礎となっています。

新たな質量分析イメージング技術の応用により、ADにおける脂質代謝異常の研究が進展しています。研究は、ADの病理学的特徴と共存する脂質輸送、代謝、バランスの変化がADの進行を推進する重要な要因である可能性を示唆しています。この背景に基づき、研究チームはMALDI-MSI技術を用いて、ADにおける神経節苷脂の空間的配置と既知のタンパク質マーカーとの関係をさらに探索し、ADの病態メカニズムにおける脂質プロファイリングとプロテオミクスの複雑な相互作用をよりよく理解したいと考えています。

研究の出典

“Co-registration of MALDI-MSI and Histology Demonstrates Gangliosides Co-localize with Amyloid Beta Plaques in Alzheimer’s Disease”という題名の原始研究論文は、ニキータ・オレン-ビトル、シャーヴィン・ペジャン、スティーブン・H・パスターナク、C. ディルク・キーン、チ Zhang、ショーン・N・ホワイトヘッド等によって執筆されました。著者らはそれぞれWestern University、London Health Sciences Centre、University of Washingtonなどの機関に所属しています。論文は2024年に《Acta Neuropathologica》に掲載されました。

研究プロセス

本研究は、以下の主要なステップを含んでいます：

サンプル収集と処理

  1. 組織サンプルの選択と倫理承認： 研究サンプルは、死亡したAD患者と健康対照のホルマリン固定および新鮮な凍結組織から取得され、各々London Health Sciences Centreとワシントン大学の保存庫および神経病理学研究室の承認を受けました。

  2. 組織ブロックの切断と準備： フォルマリン固定のサンプルブロックは冷凍フレームに固定され、凍結および新鮮切片段階での組織切片作製とMALDI-MSIスキャンに使用されました。

MALDI-MSIデータ収集

  1. マトリックス適用とスキャン： 1,5-ジアミノナフィチルマトリックスを希釈して使用し、次にホットプレートで昇華し、均等に組織上にマトリックスが分散されるようにしました。その後、SCiEX 5800 TOF/TOFシステムを使用して質量分析イメージングスキャンを行いました。

  2. 低解像度スキャン： 初期の低解像度スキャンで、神経節苷脂の全体的な分布を観察し、AD脳の海馬領域でGM1 d20:1とGM1 d18:1の比率が顕著に低下していることを発見しました。特定の領域、例えば歯状回や内嗅皮質において、GM1 d20:1が顕著に減少していました。

高解像度スキャンと組織学的染色

  1. 高解像度スキャンと組織学的染色の結合： 高解像度スキャンで特定の領域の詳細な神経節苷脂分布図を取得し、その後Thioflavin Sでアミロイドβプラークを染色しました。

  2. データ解析と統計： 質量分析イメージングソフトウェアを使用して選択された領域（ROI）の質量スペクトルデータを解析し、関連する神経節苷脂ピークの面積割合を計算して統計的に比較しました。

主な研究結果

  1. 低解像度MALDI-MSIスキャン結果： AD脳の海馬領域を分析した結果、歯状回の分子層およびCA領域でGM1 d20:1とGM1 d18:1の比率が顕著に低下していることが判明しました。内嗅皮質および歯状回の分子層でもGM1 d20:1が顕著に減少していることが観察されました。

  2. 高解像度MALDI-MSIスキャン結果： 顕著なプラークが存在するAD脳を高解像度スキャンで解析した結果、GM3 d20:1およびGM3 d18:1がThioflavin S染色のアミロイドβプラークと共局在し、プラーク領域でGM3 d18:1、GM3 d20:1、GM1 d18:1、GM1 d20:1が顕著に増加していることが発見されました。

結論と研究の意義

  1. 研究の有効性の検証： 本研究は、MALDI-MSIとクラシックな組織学的染色を組み合わせる方法の成功を確認し、質量分析イメージングを統合したデジタル病理学の基盤を確立しました。

  2. 新しい病理学的洞察： 研究結果はAD脳のアミロイドβプラークにおける神経節苷脂の空間的関係を明らかにし、AD脂質プロファイリングの理解に新しい視点を提供しました。

  3. 技術革新と応用前景： 高解像度質量分析イメージングと組織学的染色を組み合わせることで、分子レベルの変化を組織病理学に応用する助けとなり、バイオマーカーや治療ターゲットの発見に重要な貢献が期待されます。

研究のハイライト

  1. 技術革新： 本研究は、MALDI-MSIと組織学的染色を組み合わせた新しいワークフローを開発し、その実用性を向上させました。
  2. 新しい洞察の提供： 研究は、ADにおける神経節苷脂とアミロイドβプラークの顕著な空間共局在関係を明らかにし、AD脂質プロファイルの理解に新しい考えを提供しました。

本研究は、革新的な実験技術と詳細なデータ解析を通じて、AD脳における神経節苷脂とアミロイドβプラークの顕著な共局在関係を明らかにし、新しい病理学的洞察と研究方向を示し、質量分析イメージングとデジタル病理学の統合の巨大な潜在力を発表しました。