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颠覆传统建模！3D 阿尔茨海默病体外模型诞生了！可巧妙模拟人脑，为痴呆治疗带来重大 进步 原创2018-06-28 订阅号 APExBIO 阿尔茨海默病(Alzheimer’s disease，简称 AD) 是一种神经系统退行性疾病， 临床上的表现特征为痴呆，主要表现为渐进性记忆障碍、认知功能障碍、人格改 变及语言障碍等神经精神症状，以 65 岁为界分为早发性和晚发性。 阿尔茨海默病（AD）的特征在于 β-淀粉样蛋白（beta-amyloid，Aβ）的积累， 磷酸化 tau 的形成，神经胶质细胞的超活化和神经元的丢失。然而人们对 AD 的病 因及发病机制知之甚少，很大程度上是因为缺乏一种理想的AD 模型。 对于体外模型，理想的情况是能够重演 AD 病理过程的三大点：Aβ 的累积，磷酸 化 tau 的聚集和神经炎性，即重演AD 患者大脑中多级细胞间的相互作用。然而， 目前的AD 神经元模型不包括由小神经胶质细胞介导的神经炎症变化。近日，来自 美国北卡罗来纳大学夏洛特分校的 Park 等人建立了一个 3D 的 AD 体外模型，这 是一个微流体装置，里面装载了含人类神经元（neurons ）、星形胶质细胞 （astrocytes）和小胶质细胞（microglia）的 3D 培养物。3D 微流体模型呈现出 与生理相关的大脑环境，可以重演 AD 的病理过程，揭示了神经退行性病变的潜 在重要炎症机制。该论文题目为 “A 3D human triculture system modeling neurodegeneration and neuroinflammation in Alzheimer’s disease”，在线 发表于《nature Neuroscience》杂志。 这个三重培养装置看起来像一个 “圆盆” （见下图），神经元和星形胶质细胞在 3D 凝胶状培养物中生长，来模拟一个 “微型大脑”。淀粉样前体蛋白（amyloid precursor protein, APP）的突变会导致 AD。在这里，瑞典突变（K670/M671L） 和伦敦突变（V717I）APP 通过慢病毒感染在神经元和星形胶质细胞中表达，导致 β-淀粉样蛋白（Aβ）的累积和 tau 的磷酸化——这是 AD 的两个病理标志。在稍 后的时间点（数天或数周）往这个圆盘的周围铺上小胶质细胞。除了分泌 Aβ 和 积累磷酸化的 tau，表达 APP 的神经元和星形胶质细胞在这个凝胶微型脑中还分 泌趋化因子（chemokines）和细胞因子（cytokines），这些因子穿过周围一圈 的微通道扩散到外围并激活小胶质细胞，导致小胶质细胞穿过通道并在 48 小时 内渗入到中心。一旦与神经元和星形胶质细胞汇合，小胶质细胞释放神经毒性因 子诱导神经突变和这两种细胞的死亡。因此，这个 3D 微流体装置能够形成与生理 相关的人脑组织3D模拟结构，在这个系统中，该团队观察到3种细胞的致病级联， 神经退行性病变，以及 AD 的最终病理标志。它代表了 AD 机制研究的极佳模型。 立体图▲ 平面图▼ | 3D阿尔茨海默病（AD）体外模型。将表达家族性AD 突变体 APP 的 人神经元和星形胶质细胞置于 3D 凝胶中并铺在微流体装置的中央。过一段时间（数天或数 周），将人小胶质细胞铺在周围一圈的腔室中，该腔室通过辐条状微通道连接至中央区域。 神经元和星形胶质细胞分泌 Aβ、趋化因子和细胞因子，包括 IFN- γ和 TNF，它们将小胶质 细胞激活并吸引其浸润到中心区域，引起轴突损伤和神经元及星形胶质细胞的死亡。 这个 3D 微流体系统具有很多优点，比如能够驱动病理性蛋白质的积累，这是因为 3D 基质阻止了分泌蛋白在介质中被洗去，重要的是能够重演 AD 病理过程中不同 细胞类型之间的相互作用。在这之前趋化因子在 AD 脑中募集小胶质细胞的作用尚 未完全清楚。 为了确定小胶质细胞积聚到 AD 脑内的机制，小胶质细胞在培养神经元和星形胶质 细胞之后的数天或数周才铺板。发现三个主要因素促成了小胶质细胞募集的增加： Aβ 积聚影响小胶质细胞募集的增加；趋化因子，如 CCL2 / MCP-1 促进小胶质细 胞的迁移；增加的三磷酸腺苷（ATP）水平可能促进小胶质细胞的激活或趋化。该 团队发现小胶质细胞在这个系统中的神经毒性作用是由 Toll 样受体 4 （TLR4）和 IFN- γ介导的，TNF- α和 NO 是从活性小胶质细胞释放的神经毒性因子。阻断这 些小胶质细胞炎性介质的释放可能代表了一种治疗方法来预防 AD 中的神经元死 亡并阻止疾病进展。 有趣的是，其