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成人腦中存在新生神經元:新研究為攻克阿爾茲海默癥帶來曙光?

更新時間:2022-05-08 16:27:55點擊次數:261次字號:T|T

作者:蔣夢萍(中國科學院神經科學研究所)

2019年3月26號,來自西班牙的研究團隊在成年人的大腦中發現了大量的新生神經元,其中年齡最大的個體年齡甚至接近90歲,而在阿爾茲海默癥患者的腦內,新神經元的形成明顯減少,該研究可能為攻克阿爾茲海默癥帶來新的曙光,相關論文發表在《自然-醫學》雜志上。

  • 人類記憶殺手:阿爾茲海默癥

阿爾茲海默癥即Alzheimer's disease ,簡稱AD。近年來,患病的年邁老人因為記不得回家的路而找民警幫忙的報道層出不窮。這種記憶力障礙就是AD患者最典型的一種癥狀。除此之外,AD患者也表現出認知功能障礙等神經精神癥狀,一旦起病,不可逆轉。



圖1 AD前期癥狀主要包括短期記憶退化、理解表達能力下降、認知障礙、性格改變和日常行為困難等。(圖片來源:《健康天天幫》節目組)



世界衛生組織資料顯示,全球約有4750萬人患有阿爾茨海默癥,中國有近1000萬確診患者,占全球四分之一。隨著老齡化程度的增加,預計到2050年,我國的老年人口大約會增長到4億,AD癥患者將達到2000萬人。

需要注意的是,由于AD患者主要為老年人,且隨著年齡增長,病情逐漸加重,導致很多人認為這是一種衰老癥狀,而沒有引起足夠的重視。而事實上AD是一種疾病,如果沒有有效的預防和治療方法,家庭和社會都將會面臨沉重的負擔。

  • 藥物研發之路漫漫

AD作為一種起病隱匿的復雜異質性疾病,其特征性的改變主要為β淀粉樣蛋白沉積形成的細胞外老年斑和神經細胞內神經原纖維纏結。除此之外,還有皮質彌漫性萎縮、腦溝回增寬、腦室擴大、神經元大量減少等病變。

盡管AD發病原因和機制目前還沒有定論,科研人員和制藥企業仍一直在努力研發可以緩解和治療AD的藥物,但是收效甚微。

本月21號,美國生物技術公司百?。˙iogen)和日本著名藥企衛材(Eisai)宣布,終止一種名為aducanumab的阿爾茲海默癥藥物的兩項全球三期研究。aducanumab主要是針對β淀粉樣蛋白沉積這種病理特征而開發的,獨立的數據監測機構在對兩項研究的數據進行分析后認為,該藥物對AD患者的認知功能損傷沒有改善作用。除此之外,著名藥企羅氏也在不久前宣布終止了幾項關于AD藥物的臨床研究,AD新藥研發之路舉步維艱。

  • 另辟蹊徑:尋找新生神經元



圖2 健康腦的神經元(左)和患病腦的神經元(右)(圖片來源:veer圖庫)



AD患者大腦的一個重要特征是神經元大量減少?;诖颂卣?,也有科研人員致力于通過訓練或者藥物刺激神經元新生來預防和治療AD。我們都知道,人體的大部分器官都會有細胞的衰亡,也不斷有新細胞的產生,比如肝臟的細胞再生能力就很強。

然而關于成人大腦中是否存在新生神經元則一直存在爭議。

在早期的大腦研究中,在顯微鏡下,成年人的大腦中觀察不到存在正在分裂的神經元。因此很長一段時間,大家認為神經元不會再生。最近二三十年隨著新的實驗技術的發展,比如利用新的放射性元素標記和核苷酸類似物標記技術,不同國家的科學家陸續報道,在成人的大腦中發現了新生神經元。然而,真正在成年個體大腦中觀察到新生神經元的研究主要來自于嚙齒類動物,來源于成人大腦的直接證據幾乎沒有,因此還不足以下定論。

  • 成年人大腦中的新生神經元之謎

就在科研人員迫切地想要在成年人的大腦中找到新生神經元存在的證據時,2018年兩篇關于新生神經元的研究讓這個問題更加迷霧重重。來自美國的兩個研究團隊采用類似的方法,卻得到相反的結果。其中一項研究發表在《自然》雜志,它來自美國加州大學舊金山分校的索雷爾斯(S. F. Sorrells)團隊1,另一項發表在《細胞-干細胞》雜志的研究則來自美國哥倫比亞大學的博爾德里尼(M. Boldrini)團隊2。

兩項研究都采用人的尸體大腦為研究對象,采用免疫熒光染色來標記一種雙皮質素(doublecortin,DCX)的蛋白,這種蛋白主要在分裂中的神經元和早期分裂后的子代神經中表達。

索雷爾斯團隊研究了59個年齡跨度從孕期14周的胎兒到 77歲生前健康的老年人的尸體大腦標本,而博爾德里尼團隊的研究樣本是28個生前健康個體的尸體大腦標本,年齡在14歲到79歲之間。前者在胎兒和嬰兒的大腦中發現了大量的神經元母細胞和新生的神經元,但在所有成年個體的腦標本中沒有一例觀察到新生的神經元。而后者則發現,即使是老年人,死亡時海馬仍然有數以千計的新生神經元。

成年人的大腦中究竟有沒有新生神經元呢?答案似乎更加撲朔迷離。




圖3 神經元(圖片來源:veer圖庫)



  • 塵埃落定?最新研究揭開新生神經元神秘面紗

令人振奮的是,距離前兩篇報道過去才一年,今天發表在《自然-醫學》雜志的一項研究給大家打了一劑強心針。來自西班牙的倫斯馬?。∕.L. Martin)團隊在生前健康的成年人尸體大腦以及AD患者大腦中均發現了大量的新生神經元,其中年齡最大的個體年齡甚至接近90歲。那么倫斯馬丁的研究是否更加可信呢?

在詳細解讀這篇文章之前,我們首先來認識一下大腦中一個與記憶和神經元新生有關的腦區,即海馬。該腦區因形似海馬,故得名。海馬包含有四個亞區,即CA1、CA2、CA3和齒狀回(dentate gyrus,DG)(圖4)。

海馬主要負責學習和記憶。除此之外,在成年哺乳動物的大腦中,海馬還具有另一個與眾不同又很重要的特征,它可以為大腦提供新的神經元,這個過程也被稱為“成年海馬神經形成(adult hippocampal neurogenesis,AHN)”。目前發現的新生神經元主要來自于DG區。對大量的AD患者大腦的研究表明,海馬DG區的神經形成顯著改變。



圖4 大鼠腦中海馬的主要結構。左邊為冠狀面,右邊為矢狀面。圖片來源:George Paxinos & Charles Watson,《The Rat Brain》(《大鼠腦立體定位圖譜》第六版)



由于前人的研究報道很不一致,而且人的大腦標本十分難得,研究人員在標本預處理時慎之又慎。

首先,他們排除了醫療記錄中顯示有過神經系統疾病或者認知障礙的個體的大腦,并且確認了這些個體的大腦處于布拉克(Braak)分期的0階段,即大腦沒有病理改變。Braak分期來源于德國的神經病理學家Heiko Braak,Braak主要研究帕金森?。≒arkinson's disease,PD)的發病機理,經過大量的標本研究,發現在PD患者的大腦損傷主要可以分為6期,從1期到6期,大腦的病理損傷越來越嚴重,患者的癥狀也越來越嚴重。后來Braak分期也被用來評估AD患者的病程發展。

此外,研究人員嚴格監測了大腦從死亡到組織固定的時間間隔,確保最優化的固定時間和條件。同時避免冷凍、石蠟包埋以及其他可能對大腦組織產生損傷的機械操作,最終獲得了13個年齡從43歲到87歲的個體的大腦。通過DCX染色,研究人員欣喜地在DG鑒定出了數以千計的表達DCX蛋白的神經元,而在非神經源性的腦區則沒有檢測到DCX的信號。

形勢似乎一片大好,但是研究人員還要找到更加可靠的證據。思路其實很簡單,如果成年人的大腦中存在新生神經元,由于不同細胞分裂的時間點不一樣,在固定標本時,分裂后的神經元應該處于不同的成熟階段。所以如果可以在表達DCX蛋白的神經元中再鑒定出處于不同成熟階段的細胞亞群,就能證明成人大腦中確實有新生神經元的產生。那么如何鑒定呢?

實際上,細胞分裂之后,在AHN的不同成熟階段,會表達不同的細胞標記物(圖5),比如未成熟的神經元中會表達神經細胞粘附分子和鈣網膜蛋白(CR),而在分化程度更高的神經元中,則會表達鈣結合蛋白(CB)。除此之外,還有一些其他標記物,通過檢測這些標記物的表達,就可以判斷神經元位于哪個成熟階段。

不出所料,研究人員成功地在表達DCX蛋白的神經元中檢測到了各種標記物。大量的神經元表達DCX蛋白,同時他們還表達代表不同成熟階段的標記物,表明在成人大腦中,確實存在大量的新生神經元。




圖5 成年海馬神經形成過程中,細胞成熟時不同標記物的表達階段模型。(圖片來源:翻譯自參考文獻3)




  • AD患者大腦的新生神經元數量顯著降低

為了進一步探究在AD患者大腦中是否也存在新生神經元。倫斯馬丁團隊檢測了45個年齡位于52歲到97歲的AD患者的大腦,這些患者的病程不同,涵蓋了6個Braak分期。

結果發現隨著年齡的增長,表達DCX蛋白的神經元的數量越來越少。而且與同齡的健康人相比,AD患者大腦中表達DCX蛋白的神經元的數量顯著降低(圖6)。這表明,除了年齡引起的新生神經元的數量降低,還有其他因素導致AD患者大腦中的新生神經元減少。通過檢測處于不同Braak分期的大腦中表達DCX蛋白的神經元中各種細胞標記物的表達水平,發現首先在Braak三期的患者中存在神經細胞粘附分子表達的降低。隨著病程發展,其他標記物的表達也逐漸降低。




圖6 雙皮質素陽性細胞數量和年齡的關系。圖中白色圓圈和紅色圓圈分別代表健康個體和處于不同病程階段的AD患者的大腦中表達雙皮質素的細胞的數量??梢钥吹?,隨著年齡增加,表達雙皮質素的細胞的數量慢慢減少,并且AD患者中表達雙皮質素的細胞的數量明顯低于相近年齡的健康個體中表達雙皮質素的細胞數量



  • 預防和治療AD的新希望

倫斯馬丁團隊的研究強有力地證明了不管是在健康成年人的大腦中還是AD患者的大腦中,均存在新生神經元,但是AD患者的新生神經元顯著減少。如果能夠通過一些非侵入性的手段檢測AHN的受損程度,也許可以作為檢測AD病情發展的重要方法。

該研究也為那些致力于通過促進神經元新生來治療包括AD在內的腦部疾病的探索帶來了一絲曙光。希望在不久的將來,可以聽到治療AD新藥的好消息。

參考文獻:

1. S. F. Sorrells, M. F. Paredes, A. Cebrian-Silla, K. Sandoval, D. Qi, K. W. Kelley, D. James, S. Mayer, J. Chang, K. I. Auguste, E. F. Chang, A. J. Gutierrez, A. R. Kriegstein, G. W. Mathern, M. C. Oldham, E. J. Huang, J. M. Garcia-Verdugo, Z. Yang, A. Alvarez-Buylla, Human hippocampal neurogenesis drops sharply in children to undetectable levels in adults. Nature 555, 377–381 (2018).

2. M. Boldrini, C. A. Fulmore, A. N. Tartt, L. R. Simeon, I. Pavlova, V. Poposka, G. B. Rosoklija, A. Stankov, V. Arango, A. J. Dwork, R. Hen, J. J. Mann, Human hippocampal neurogenesis persists throughout aging. Cell Stem Cell 22, 589–599.e5 (2018).

3. E.P.M. Jimenez, M.F. Garcia, J.T. Roncal, A. Rabano, F. Cafini, N.P. Bazarra, J.Avila, M.L. Martin, Adult hippocampal neurogenesis is abundant inneurologically healthy subjects and drops sharplyin patients with Alzheimer’s disease. Nature Medicine, (2019).


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