2023年6月15日中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心王延江团队在Neuroscience Bulletin发表论文“Improving Blood Monocyte Energy Metabolism Enhances Its Ability to Phagocytose Amyloid‑β and Prevents Alzheimer’s Disease‑Type Pathology and Cognitive Deficits”，揭示了改善血液单核细胞能量代谢可增强其吞噬β淀粉样蛋白的能力，并预防阿尔茨海默病型病理和认知缺陷。
β淀粉样蛋白(Aβ)清除缺陷在阿尔茨海默病(AD)的进展中起着至关重要的作用。先前的研究表明，AD患者血液单核细胞吞噬Aβ的能力下降。然而，AD单核细胞中Aβ清除功能障碍的确切机制仍不清楚。在本研究中，作者发现AD小鼠的血液单核细胞表现出能量代谢下降，并伴有细胞衰老、衰老相关分泌表型和Aβ吞噬功能障碍。改善能量代谢可以使单核细胞恢复活力并增强其在体内和体外吞噬Aβ的能力。此外，通过改善能量代谢来增强血液单核细胞Aβ吞噬作用，可减轻大脑Aβ沉积和神经炎症，并最终改善AD小鼠的认知功能。这项研究揭示了单核细胞中Aβ吞噬作用受损的新机制，并提供了证据表明恢复其能量代谢可能是AD的一种新治疗策略。
图一 AD小鼠单核细胞线粒体能量代谢和Aβ吞噬功能受损
由于免疫状态与能量代谢密切相关，作者使用线粒体应激测试试剂盒检测了 5×FAD和WT小鼠外周血单个核细胞（PBMC）的代谢和线粒体功能。5×FAD和WT小鼠PBMC的基础呼吸或ATP生成量无显著差异，但5×FAD小鼠的最大呼吸能力、备用呼吸能力和非线粒体呼吸显著低于WT小鼠。qRT-PCR测量细胞衰老和 PBMC的衰老相关分泌表型(SASP)。作者发现 5×FAD 小鼠的PBMC表现出衰老相关标志物P16和SASP mRNA水平增加，如TNF-α和IL-1β mRNA水平增加所示。Western blot结果显示证实5×FAD小鼠PBMCs中TNF-α和IL-1β蛋白水平升高。使用流式细胞仪检测来自 5×FAD和WT小鼠的血单核细胞吞噬Aβ 的能力。通过小鼠单核细胞的标记物CD11b和CD115来鉴定单核细胞，对单核细胞中Aβ42-FITC的平均荧光强度进行量化，5×FAD小鼠的单核细胞表现出Aβ42吞噬作用减弱。这些发现表明，代谢潜力的降低可能导致AD小鼠单核细胞的细胞衰老、SASP和Aβ吞噬作用受损。
图二 改善人单核细胞能量代谢逆转细胞衰老并促进Aβ吞噬作用
使用EP2受体拮抗剂PF-04418948(PF)评估其对人血单核细胞能量代谢和 Aβ吞噬作用的影响。用PF处理20小时后，测试了人CD14+单核细胞的线粒体应激。PF治疗组的最大呼吸能力和ATP产量均有所增强。非线粒体呼吸、基础呼吸或备用呼吸能力没有显著差异。qRT-PCR检测发现PF处理组中P16 mRNA 水平显著降低。为了进一步验证PF对单核细胞衰老的影响，作者对CD14+细胞衰老相关β半乳糖苷酶（SA-β-Gal）染色，发现PF治疗组中SA-β-gal+细胞减少了25%。通过 CD14和CD16识别人类单核细胞，单核细胞中Aβ42-FITC的平均荧光强度表明，总单核细胞和经典单核细胞对Aβ42的吞噬显著增加，而中间单核细胞和非经典单核细胞对Aβ42的吞噬没有显著差异。通过抑制PGE2-EP2途径改善人类单核细胞的能量代谢，可以逆转细胞衰老并促进Aβ吞噬作用。
图三 改善AD小鼠单核细胞的能量代谢可逆转细胞衰老并促进Aβ吞噬作用
基于恢复能量代谢增强人类单核细胞Aβ吞噬作用的发现进行了动物实验来研究改善单核细胞能量代谢是否促进大脑Aβ清除并减轻5×FAD小鼠的认知障碍。PF不能穿过血脑屏障，因此EP2拮抗剂的外周给药仅影响外周循环。每天对2月龄的5×FAD小鼠腹腔注射PF，持续4个月。线粒体应激试验显示，PF处理组PBMC的基础呼吸、最大呼吸能力、ATP产生和备用呼吸能力均显著增强，而非线粒体呼吸无显着差异。这一结果表明，抑制PGE2-EP2信号可增强AD单核细胞的能量产生。P21、TNF-α和IL-1β的mRNA水平显著降低，表明单核细胞衰老和SASP通过改善葡萄糖代谢得到缓解。单核细胞中Aβ42-FITC的平均荧光强度表明，在 PF处理组中，CD115+ CD11b+单核细胞吞噬了更多的Aβ42。这些数据表明PF增强了能量代谢并减轻了细胞衰老和单核细胞中的SASP，所有这些都增强了Aβ吞噬作用。
图四 PF减轻AD小鼠认知缺陷
年龄和性别匹配的WT小鼠在矿场试验、Morris水迷宫和新臂试验中表现优于对照5×FAD小鼠，并且在Morris水迷宫中优于PF处理的5×FAD小鼠。在旷场测试中，PF处理的小鼠表现出进入中心的次数显著增加，但总移动距离或在中心停留的时间没有明显差异。在Morris水迷宫中，PF治疗组的表现优于溶媒治疗组，连续平台学习试验中的逃避潜伏期显著降低，并且在目标象限中花费的时间和移动的距离更多。在新臂测试中，PF治疗组表现更好，表现为行进距离更长和进入新手臂的次数更多。这些结果表明PF可以预防5×FAD小鼠的认知能力下降。
图五 PF改善5×FAD小鼠大脑中的Aβ负荷
作者使用刚果红染色来检测致密Aβ斑块，并使用Aβ 6E10染色来检测总 Aβ 斑块。刚果红染色结果表明，PF处理的小鼠新皮质和海马体中Aβ负荷较低，并且海马体中Aβ沉积较少。由于大脑中的Aβ负荷与Aβ的产生和清除有关，于是进一步研究了脑淀粉样前体蛋白（APP）的代谢。除了Aβ单体水平外，APP或其代谢物（包括可溶性 APP-α、CTF-α 和 CTF-β）的水平没有明显差异。 此外，APP代谢酶、BACE1、ADAM10、PS1、IDE以及血脑屏障上的NEP和Aβ转运蛋白（包括LRP1和RAGE）的水平没有显著差异。小胶质细胞对Aβ的吞噬作用没有发现显著差异。这些发现表明，PF治疗的AD小鼠大脑Aβ负荷的减少并不是由于大脑中Aβ产生或降解的变化。
图六 PF可挽救5×FAD小鼠AD相关脑部病变
与溶媒治疗组相比，PF治疗组海马中活化的星形胶质细胞（GFAP染色）和活化的小胶质细胞（CD68染色）水平较低，促炎细胞因子IL-1β和IL-1β水平较低。脑匀浆中抗炎细胞因子IL-10水平较高。脑匀浆中TNF-α水平无显著差异。此外，PF治疗组大脑中磷酸化Tau231水平降低，这是AD中大脑Aβ病理学更敏感和更特异的指标。与溶媒治疗组相比，PF 治疗组表现出增加的树突状 MAP2 表达，但海马体中神经元数量没有差异，这表明神经元和树突状形态和功能有所改善。通过蛋白印迹试验证实了树突状MAP2表达的增加。这些发现表明PF可以减轻5×FAD小鼠的神经炎症和神经变性。
总之，作者发现能量代谢受损是AD单核细胞Aβ吞噬功能受损的关键机制，改善血液单核细胞能量代谢可以增强Aβ吞噬作用并预防AD相关病理和认知缺陷。筛选临床上可恢复单核细胞能量代谢的药物，并通过动物研究和临床试验进一步检验其对AD的治疗效果是有意义的。
https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/37316674/
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