感染会是阿尔茨海默病的“元凶”吗?

来源:Nature自然科研

2年前,免疫学家、医疗出版企业家Leslie Norins宣布出资100万美元,奖励任何能够证明阿尔茨海默病是由细菌导致的科学家。

几十年来,失智症可能由感染引起的理论,一直在神经科学研究的边缘徘徊。大部分阿尔茨海默病研究人员在掌握了大量证据的基础上,都认为该病的罪魁祸首是大脑中名为淀粉样蛋白(amyloid)的黏附分子,这些分子能聚集成斑块,导致炎症,杀死神经元。

Norins想要奖励那些能让感染理论更有说服力的研究。淀粉样蛋白假说已经成为“世俗认知殿堂的一种广为接受和支持的信仰了”,Norins说,“而那些确实研究过微生物、发表过论文的少数先锋者反而成了被嘲笑或无视的对象。“

这在很大程度上是因为,感染理论的早期支持者认为这种理论可以取代淀粉样蛋白假说。不过,一些最新研究确实提供了两种理论可以相容的有趣提示——感染可以通过诱导淀粉样蛋白斑块的产生,“种植”一部分阿尔茨海默病。

数据暗示了淀粉样蛋白在神经元中的一个新作用——淀粉样蛋白不仅只是个有毒的废产物,本身可能还有一个重要功能:帮助保护大脑不受感染。只不过年龄或遗传学因素会打破这个系统的平衡,把淀粉样蛋白从防御卫士变成捣蛋者。

这种观点提出了寻找潜在疗法的新路径。为了进一步验证该理论,科学家正在开发能更好地模拟阿尔茨海默病的动物模型。“我们非常严肃地看待这种理论。”伦敦大学学院的英国失智症研究所所长、神经科学家Bart de Strooper说。

斑块堵塞

淀粉样蛋白假说认为,阿尔茨海默病是因为一种黏附、可溶蛋白——β-淀粉样肽——在脑细胞空隙处堆积而导致的。这些肽从包埋在神经元膜内的另一种蛋白上切割下来。一旦能自由移动,它们就会聚集成更大的结构,如果无法被特殊的酶有效地清除,它们就会形成斑块。这些斑块会引发致命的级联反应:诱发神经炎症,产生大量名为tau缠结的黏性蛋白束。长时间面对这种损害,神经元便会死亡。

这种假说的批评者指出,许多没有阿尔茨海默病的人,其死后的大脑中也有斑块。他们还提到,为溶解淀粉样蛋白斑块而开展的大量临床试验都失败了,那些疗法无一能减慢疾病的进展。支持淀粉样蛋白理论的研究人员反驳称,虽然个体间的斑块密度差异很大,但它们导致的tau缠结的密度却与病情轻重紧密相关。而临床试验之所以失败,他们认为可能是因为这些治疗开展得太迟了。

他们还有强有力的证据来支持他们的观点。阿尔茨海默病有一些罕见、侵袭性的形式会早发病——30-60岁之间——而且有家族史;这些病症是大脑中调控淀粉样蛋白产生过程和炎症的基因发生突变而引起的。大量的其他基因与更常见的晚发性阿尔茨海默病的风险有关。多个基因都编码包含淀粉样蛋白级联反应元素的蛋白,一些基因参与了固有免疫系统——固有免疫机制会迅速激活,预防病原体在体内扩散,但也会导致炎症。

感染病原体

有些研究人员希望能验证感染理论,他们已经在数千名阿尔茨海默病患者死后的大脑中搜寻过微生物,并在许多大脑中都找到了。“但这些研究只能证明相关性,对这些相关性的解释可能并不涉及任何机制。”de Strooper说。

英国曼彻斯特大学的生物物理学家Ruth Itzhaki在上世纪90年代报告了在阿尔茨海默病患者死后大脑内发现了单纯疱疹病毒1(HSV1),她对这些批评声感到愤怒。她相信微生物之所以在大脑中存在,一定是因为它们在那里发挥了作用;她和另外一些人认为,他们有很好的证据能证明病毒是导致阿尔茨海默病的一个关键。“我们大多数人都承认淀粉样蛋白是阿尔茨海默病的一个非常重要的特征——但它并不是原因。”她说。

研究人员提出了多个会导致阿尔茨海默病的微生物,包括三种人疱疹病毒和三种细菌:导致肺部感染的肺炎衣原体、莱姆病的病原体伯氏疏螺旋体,以及最新发现的导致牙龈炎的牙龈卟啉单胞菌。理论上,任何能侵入大脑的传染性病原体都有这种诱导发病的能力(不过,目前尚无有力证据证明导致新冠肺炎的新冠病毒具有这种能力。)

该领域的大部分团队都有一种偏爱的微生物,2018年的两篇论文研究了疱疹病毒的这种作用,吸引了广泛关注。其一来自纽约市西奈山伊坎医学院的Joel Dudley团队,论文分析了来自不同数据库的近1000个死后大脑的基因、蛋白、组织结构的海量数据。他们在脑组织中寻找显示病毒迹象的特征——疱疹病毒特异性基因或蛋白片段。最后发现,阿尔茨海默病患者脑内的人疱疹病毒6A(HHV-6A)和人疱疹病毒7的水平比对照组要高。

但其他研究人员在重复Dudley的研究结果时失败了,其中包括美国国立神经疾病与卒中研究院的病毒学家Steven Jacobson的团队,他们也分析了1000多个死后大脑的样本。

虽然Dudley团队研究的大脑数量惊人,但结果只是相关性的。此外,数据来源也引人担忧,德国神经退行性疾病中心的Michael Heneka说。阿尔茨海默病患者的大脑在死前就状况很糟了,组织在尸体解剖前还会进一步裂解;微生物能在死前几天或死后毫不费力地进入其中。“我们不能单凭死后样本就对有三十年左右轨迹的疾病做出太多假设。”

Dudley的论文发表前,台湾有一项长达十年的研究刚刚结束,这项研究追踪了8000多名被诊断感染了单纯疱疹病毒的患者,并将他们与25000名未感染该病毒的对照组进行对比。有疱疹病毒的群体发展出阿尔茨海默病的风险比对照组高2.5倍,但是上升的风险在接受积极药物治疗的人群中几乎消失了。

甚至是在该理论重回人们视线之前,感染可能以某种方式诱导阿尔茨海默病的理论,就给了研究人员足够的理由来开展临床试验。2017年,纽约市哥伦比亚大学的一支团队开始测试抗病毒药物伐昔洛韦(valacyclovir)能否减慢单纯疱疹病毒抗体检测呈阳性的阿尔茨海默病轻症患者的认识功能衰退,减缓淀粉样蛋白斑块的形成。该试验预计在2022年出结果。

举证责任

如果在人类研究中只能发现相关性,研究人员通常会继续开展动物实验来寻找因果关系。可是,阿尔茨海默病动物模型并不完美;比如小鼠就不会随年龄增长产生标志性的斑块,除非通过基因工程改造它们。应用广泛的5xFAD转基因小鼠能表达五个相关的基因突变,这些基因编码淀粉样蛋白前体或是能将其切割成β-淀粉样蛋白的一种酶。这些小鼠能高表达这些基因,而且会在两个月大时就开始形成斑块。

美国麻省总医院的神经遗传学家Rudolph Tanzi和同事利用5xFAD小鼠模型研究了2008年某个周五下午出现的大胆想法。那天正好是系里传统的“啤酒时间”,也被员工和学生称为“调整心态时间”。

Tanzi当时一直在一些新的人类基因组数据中寻找阿尔茨海默病的风险基因,他在看到CD33的基因时感到大为不解——已知CD33蛋白在固有免疫系统中大量表达。他跑到隔壁房间,询问他的朋友和同事Rob Moir对于固有免疫系统可能会产生一个阿尔茨海默病基因的奇怪想法怎么看。

Moir是一名神经科学家,当时正在查阅各种生命科学文献,了解最新研究动向,正好看到了一篇关于抗菌肽的论文;抗菌肽被发现存在于许多固有免疫通路中。“兄弟快看。”他对Tanzi说。他的电脑上显示着一张描述这种肽的表格,它们的长度都和β-淀粉样蛋白差不多,有些性质也很相似。“你认为β-淀粉样蛋白会是一种抗菌肽吗?”他问道。Tanzi毫不犹豫地说:“我们来测一下吧!”

Moir一发便不可收。“他就像咬住了拖鞋的狗狗,完全不肯放。”Tanzi回忆道。

那时,还没有人细想过β-淀粉样蛋白是否本身就有特异性的作用,虽然事实上它在不同物种中都是高度保守的——这也是具有生物学价值的强烈信号。这个序列至少已有4亿年的历史了,并存在于大概三分之二的脊椎动物中。可能它并不是一个破坏分子那么简单,他们推测,可能它还有好的一面,能捕获进入大脑的微生物,阻止它们诱发疾病。随着大脑衰老,高效清除这种淀粉样蛋白的能力逐渐丧失,这个系统可能就出现问题。

Tanzi的专业是微生物学,他请研究生Stephanie Soscia快速测试一下β-淀粉样蛋白能否在试管中杀死八种常见的致病微生物,包括肺炎链球菌和大肠杆菌。她发现它确实可以,效率至少和已知的抗菌肽一样。

他们赶在2010年发表了研究结果,接下来的几年里,Moir主持了一系列更完整的实验来研究他们现在称之为抗菌保护假说的理论。他们将鼠伤寒沙门氏菌直接注射到会形成斑块的5xFAD小鼠的大脑中,发现小鼠的存活时间超过了非转基因、缺少斑块的小鼠。他们利用病原菌白色念珠菌,在线虫中也发现了类似的结果。在这两类实验中,淀粉样蛋白形成的黏附网能吞噬并拆解病原体(见“微生物如何种植斑块”)。

来源:参考文献[9];Nature 559, S4–S7 (2018)。

随后,团队将焦点转移到了疱疹病毒上,疱疹病毒已经成了与阿尔茨海默病关联最密切的人类病原体。团队将HSV1注射到年轻的5xFAD小鼠的大脑和普通小鼠的大脑中。还不到三周,转基因小鼠的大脑便散布了淀粉样蛋白斑块。当团队使用致命剂量的HSV1重复这一实验时,转基因小鼠的寿命超过了对照组——斑块居然在两天里就出现了。“那太不可思议了。”Tanzi说。

HSV1非常普遍,以至于全球一半以上的人都是携带者。不过,Moir还想测试HHV-6的作用,HHV-6存在于最多10%的健康大脑中,但通常水平较低,作用也不明确。因为小鼠能抵抗HHV-6感染,所以Moir的团队选择在模拟阿尔茨海默病某些特征的3D人源神经细胞培养物中探索HHV-6的作用。一般来说,这种迷你大脑类器官会在培养六周后开始聚集淀粉样蛋白斑块和tau缠结。但是,和研究人员在小鼠中观察到的一样,在他们加入病毒的两天后,斑块便开始出现了。

之后,Moir和Tanzi又研究了疱疹病毒对类器官形成tau缠结的影响,以及缠结能否阻断病毒向神经元的扩散。Moir生了一次病后,不久便于2019年12月去世了,但Tanzi说他的团队仍在这个方向上继续探索。

他说到目前为止,他的概念验证实验得到的结论是:“如果你能产生β-淀粉样蛋白,你对抗感染的能力也更强。”但他承认,要获得实际上的证据——观察到感染诱导淀粉样蛋白级联反应并导致疾病——仍然遥遥无期。“我们还没看到确凿的证据。”他说没有人知道β-淀粉样蛋白的抗菌性是否真的是人体正常生理过程的一部分,或是它们在大脑的整体防御机制中有多重要。感染可能是阿尔茨海默病的一个导火索,就和罕见的基因突变一样。

Tanzi的实验室意识到诱导发病的导火索在患者死亡时可能早已消失了,现在正在研发能分离和分析单个斑块的技术,看看是否有微生物的痕迹被捕获在斑块中。它有点像考古挖掘工作,他说。

支持性研究 

虽然Tanzi的工作还没有被独立重复出来,但已经有其他实验为抗菌保护假说提供了一些间接支持。例如,加州生物技术公司Genentech的科学家表明,在多种免疫细胞中表达的PILRA基因的一个突变与阿尔茨海默病风险降低有关。这种基因会产生一种蛋白,帮助疱疹病毒和其他病毒进入神经元,而研究人员认为这种突变或许能阻止它们的进入。

最有意思的当属纽约纪念斯隆-凯特琳癌症中心的化学生物学家Yue-Ming Li的实验室在2020年发表的一篇论文,论文提出了一种或能将神经炎症与β-淀粉样蛋白的形成关联起来的机制。Li的团队发现,一种名为“IFITM3”的蛋白在病毒进入大脑时会被激活。这种蛋白会与形成淀粉样蛋白的γ-分泌酶结合,增加淀粉样蛋白的产量。

Li和他的团队研究了来自脑银行的样本,发现IFITM3基因的表达会随年龄增加。它在阿尔茨海默病患者脑中的表达水平也比对照组高。不仅如此,在对培养的脑细胞开展的实验中,他们还发现了一种炎症增强分子——一种名为干扰素的细胞因子,它能增加IFITM3和β-淀粉样蛋白的水平(在人源脑样本中也是如此,他们发现的IFITM3越多,干扰素也越多)。他们认为,这一切表明,这种蛋白可以作为炎症和淀粉样蛋白制造过程的中间物。

目前,Li正在研究IFITM3是否能成为一种生物标志物,帮助判断哪些患者可以被纳入靶向γ-分泌酶的抗炎疗法或药物的临床试验中。他还在研究这种蛋白是否能成为药物开发的有用靶点。

研究结果代表了“向前的一大步”,de Strooper说,因为他们揭示了表征许多复杂疾病的级联反应类型,包括癌症。这个过程“或是被导致家族性阿尔茨海默病的突变诱发,这些突变会产生更多能导致炎症的淀粉样蛋白;或是被能导致炎症的感染诱发,炎症会引起淀粉样蛋白肽的过度产生”,他说。 

如果确实如此,他说,这将对阿尔茨海默病的治疗产生巨大影响,因为阻断β-淀粉样蛋白产生或许意味着感染对大脑的威胁会突然增加。“但这一切都是推测,具体得看β-淀粉样蛋白在大脑的整体防线中处于怎样重要的位置。”

一些研究人员对于感染在阿尔茨海默病中起主要作用的观点依然持怀疑态度。伦敦大学学院的神经科学家John Hardy和de Strooper等人因在阿尔茨海默病上的工作,共同被授予2018年大脑奖(Brain Prize)。Hardy说,他愿意“赌5英镑而不是500英镑”,来看看抗菌保护理论是不是对的。“但我不觉得这是可以证明的,我不认为阿尔茨海默病在遗传学之外还有需要解释的地方。”他说。英国爱丁堡大学的神经科学家Tara Spires-Jones表示,虽然迄今为止的数据不排除感染通过引起炎症“种植”一部分阿尔茨海默病的可能性,但正常的衰老过程也可能是一种解释。她指出,衰老是诱发阿尔茨海默病的最大风险因素。“依我个人的观点,伴随衰老出现的大脑一般炎症更像是背后的原因。”

不过,有些科学家认为如果有合适的模型,感染理论也是可以证明的,但要证明多大比例的阿尔茨海默病病例是由微生物引起的,可能有点困难。新的可能性让Jacobson感到激动,他希望能开发一种绒猴模型,检验感染理论,因为这种小型灵长目能比其他模型更精确地模拟人类阿尔茨海默病的病理。Tanzi计划使用一只淀粉样蛋白基因被换成了人类淀粉样蛋白基因的小鼠,使其表达正常生理水平的人β-淀粉样蛋白。另一个关键步骤是让独立实验室来重复已有的研究结果。

Norins发起的奖励已经收到了40位申请人提交的研究,他们都希望能在明年3月公布结果时领取现金大奖。Norins清楚这项挑战的艰巨性。他说,证明某种细菌能导致阿尔茨海默病将是“最硬的证据”。

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