解读BRAIN亮点文章︱复旦华山医院崔梅/董强合作报告小胶质细胞外泌体在帕金森病中的作用

2020
06/01

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神经学术 / 神经学术
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越来越的证据提示了非细胞自主调节神经毒性在神经退行性疾病发病机制中的重要性

神经元中α-核突触蛋白(简称αSyn)的聚集是帕金森病(PD)的一个显著特征。近年来的一些研究表明,异常αSyn的聚集会在细胞间进行传播(transmission),在这一传播过程中,外泌体(exosomes)【补充见文末】被认为是一种重要的介质【1-2】。然而,这些研究主要聚集在神经元上,非神经元(包括小胶质细胞)的相关研究相对较少。

越来越的证据提示了非细胞自主调节神经毒性在神经退行性疾病发病机制中的重要性【3】。小胶质细胞是大脑中的主要吞噬细胞,已被证实是神经炎症的诱因之一,且特别是激活状态的小胶质细胞会产生大量的神经炎症因子,包括TNF-α、IL-1β及IL-6等【4】。因此,深入探究小胶质细胞(microglia)是如何调节αSyn的聚集和扩散的,对于进一步理解PD机制是至关重要的。

总之,小胶质细胞是如何影响αSyn病理?以及多大程度上影响了αSyn病理?目前还没有一个确切的定论。

在于2020年5月1日以Microglial exosomes facilitate α-synuclein transmission in Parkinson’s disease为题在线发表于BRAIN上的亮点文章(Editor’s Choice)中,来自复旦大学华山医院的崔梅博士和董强教授合作报告了小胶质细胞来源的外泌体在PD中促进αSyn传播和聚集的机制,也为PD的靶向疾病治疗提供了参考。

首先,作者在小鼠的初级皮层神经元中直接加入了人源的αSyn预成型纤维(简称PFF),诱导αSyn聚集的形成,进而来研究外泌体是否介导αSyn在神经元之间的传播。结果表明,含有αSyn的外泌体可以被小胶质细胞所释放,且这种外泌体能够完全诱导受体神经元中的不可溶性和磷酸化αSyn的聚集(图1-2)。这些结果确定了外泌体能够介导αSyn在神经元之间的专递。

图1 PFF处理会促进αSyn外泌体从小胶质细胞的释放(图片引自:Min Guo, Jian Wang, et al., BRAIN 2020; 143 5)

紧接着的问题是,外泌体是否还可以通过其他类型的大脑细胞来介导αSyn的传播呢?因此,作者研究了激活的小胶质细胞在外泌体释放中的作用。结果显示,小胶质细胞可以主动吞噬胞外PFF,并释放含有αSyn的外泌体(图1)。此外,作者发现,当在初代小胶质细胞中共加入PFF和脂多糖(脂质和多糖的复合物,简称LPS)时,会大大提升外泌体的释放量。

同时,作者也发现,含有αSyn的外泌体能够感染健康的神经元,且可以在受体神经元中诱发αSyn的聚集。研究者亦进行了额外的对照实验,并证明了αSyn在次代神经元中的聚集是由含αSyn的外泌体所诱导的,而不是由条件培养基中残留的PFF所导致,进而排除了假阳性的实验结果(图2)。因此,这些发现证实,外泌体可以介导αSyn在小胶质细胞和神经元之间的胞外传播。

图2 源于小胶质细胞的αSyn外泌体会诱导受体神经元内的αSyn聚集(图片引自:Min Guo, Jian Wang, et al., BRAIN 2020; 143 5)

由此,我们已经知道,PFF可以通过一种介质,即外泌体,继而促进αSyn从小胶质细胞到神经元的胞外传播。那么,是否有某种药物可以抑制外泌体的合成,进而可以减少αSyn的这种胞外传播呢?

GW4869是鞘磷脂磷酸二酯酶的一种药理学抑制剂,可以调控外泌体的生物发生【5】。的确,作者发现,GW4869可以显著降低外泌体的数量,进而减少不可溶性αSyn的扩散及聚集(图3)。这极大地提示了我们,小胶质细胞来源的外泌体可能是抑制αSyn扩散的潜在干预靶点。

图3 GW4869抑制小胶质细胞外泌体的分泌和αSyn向神经元的传递(图片引自:Min Guo, Jian Wang, et al., BRAIN 2020; 143 5)

其次,作者想进一步知道,在体内是否也存在与体外相一致的结果呢?于是,作者在C57BL/6小鼠的背侧纹状体中立体定位注射了PFF。相一致地,作者观察,磷酸化的αSyn聚集在多个脑区,包括纹状体、黑质皮质层、嗅球以及海马;且小胶质细胞参与αSyn的传播(图4)。再进一步地,如果去除掉小胶质细胞,αSyn的传播又将如何呢?

图4小胶质细胞耗竭抑制注射PFF小鼠的αSyn的增多(图片引自:Min Guo, Jian Wang, et al., BRAIN 2020; 143 5)

PLX3397是一种集落刺激因子1受体的抑制剂,可以特异性地消耗小胶质细胞【6】。结果显示,当用PLX3397去除掉小胶质细胞,再注射PFF时,磷酸化的αSyn量会减少。这些数据则表明,小胶质细胞缺失会部分抑制αSyn的聚集和传播(图4)。与体外结果相似地,实验也证实,小胶质细胞外泌体会促进αSyn在体内的传播。

图5小胶质细胞外泌体诱导多巴胺能神经元退化和行为改变(图片引自:Min Guo, Jian Wang, et al., BRAIN 2020; 143 5)

再其次,作者观察到,在小鼠黑质纹状体途径中,外泌体以一种依赖于时间的方式诱发逆行性细胞死亡(图5)。行为学试验显示,随着时间的推移,小鼠的记忆功能没有有改变,而神经病理和运动缺陷会变得越来越严重(图5)。

图6 在小胶质细胞外泌体处理后炎性细胞因子增强了αSyn的聚集(图片引自:Min Guo, Jian Wang, et al., BRAIN 2020; 143 5)

在PD患者一个重要特是,小胶质细胞被激活以应答αSyn的聚集,激活后的小胶质细胞会产生多种促炎症因子【7】。那么,炎症因子是否会影响外泌体,进而影响αSyn的传播呢?结果表明,外泌体(收集于PFF处理的供体神经元)积极调节了αSyn的传播,而小胶质细胞的炎症反应会极大的加速这一过程(图6)。

进一步结果表明,PELI1(全称pellino 1,是一种 E3 泛素连接酶,可调控不同环境和细胞类型中不同免疫通路的激活【7】)在调节溶酶体的破坏中起着重要作用,而阻断自噬通量会使多泡体自噬体的数量变多,继而导致了来源于小胶质细胞的含有αSyn的外泌体的数量的增加(图7)。换言之,当沉默PELI1基因时,会显著逆转LAMP2蛋白的减少,缓解了自噬体的积累,并恢复了自噬通量,同时也延缓了异常αSyn的积累(图7)。LAMP2是一种溶酶体膜蛋白,可用于监测自噬体与溶酶体融合。

图7 PFF处理会通过泛素-蛋白酶体系统导致了BV-2细胞中LAMP2的降解,从而削弱自噬通量,增强自噬体与多泡体的融合(图片引自:Min Guo, Jian Wang, et al., BRAIN 2020; 143 5)

文章最后,研究团队从散发性PD、多系统萎缩症患者脑脊髓液中纯化到了小胶质细胞/巨噬细胞来源的外泌体,发现其是αSyn的一个主要来源亚群,这类外泌体在大脑中含有细胞外囊泡,且在αSyn的细胞间传播中发挥重要作用(图8)。作者也证实了CD11b 阳性的外泌体中存在αSyn的低聚物,αSyn低聚物能够进一步诱导神经元中αSyn聚集(图8)。CD11b是一种膜相关蛋白,富集于外泌体中,因此可以用作小胶质细胞起源标记物【8】。这部分数据进一步证据性的支持了本研究的整体结果。

图8 PD患者脑脊液来源的CD11 阳性外泌体含αSyn低聚物,能够诱导神经元中αSyn的聚集(图片引自:Min Guo, Jian Wang, et al., BRAIN 2020; 143 5)

文章结论

综上所述,作者报道了,小胶质细胞除了在神经炎症中被确认的作用外,还通过外泌体的释放积极地参与了αSyn在细胞间的传播。

作者也观察到从PD患者脑脊液中分离出的含有αSyn的CD11阳性的外泌体,以及小胶质外泌体能够诱导黑质纹状体变性,这进一步说明了这些外泌体在PD发病机制中的关键作用。

之前有研究表明,星形胶质细胞来源的外泌体也能诱导小鼠大脑中的蛋白质聚集【1】,同时结合本项研究,则综合表明了胶质细胞很可能普遍参与了蛋白质的传播过程。

最后,本研究提示, 靶向所有细胞类型的外泌体释放可能是PD一种潜在治疗策略。

补充:外泌体是指包含了复杂 RNA 和蛋白质的具有脂质双层膜结构是小膜泡(30-150nm),;多种细胞在正常及病理状态下均可分泌外泌体;主要来源于细胞内溶酶体微粒内陷形成的多囊泡体,经多囊泡体外膜与细胞膜融合后释放到胞外基质中;功能取决于其所来源的细胞类型,其可参与到机体免疫应答、抗原提呈、细胞迁移、细胞分化、肿瘤侵袭等

文章链接:

https://academic.oup.com/brain/article/143/5/1476/5827587

参考文献:

【1】Chistiakov DA, Chistiakov AA. Alpha-Synuclein-carrying extracellular vesicles in Parkinson’s disease: deadly transmitters. Acta Neurol 2017; 117: 43–51.

【2】Alvarez-Erviti L, Seow Y, Schapira AH, Gardiner C, Sargent IL, Wood MJ, et al. Lysosomal dysfunction increases exosome-mediated alphasynuclein release and transmission. Neurobiol Dis 2011; 42: 360–7.

【3】Danzer KM, Kranich LR, Ruf WP, Cagsal-Getkin O, Winslow AR, Zhu L, et al. Exosomal cell-to-cell transmission of alpha synuclein oligomers. Mol Neurodegener 2012; 7: 42.

【4】Hirsch EC, Vyas S, Hunot S. Neuroinflammation in Parkinson’s disease. Parkinsonism Relat Disord 2012; 18 Suppl 1: S210–2.

【5】Trajkovic K, Hsu C, Chiantia S, Rajendran L, Wenzel D, Wieland F, et al. Ceramide triggers budding of exosome vesicles into multivesicular endosomes. Science 2008; 319: 1244–7.

【6】Elmore MR, Najafi AR, Koike MA, Dagher NN, Spangenberg EE, Rice RA, et al. Colony-stimulating factor 1 receptor signaling is necessary for microglia viability, unmasking a microglia progenitor cell in the adult brain. Neuron 2014; 82: 380–97.

【7】Xiao Y, Jin J, Chang M, Chang JH, Hu H, Zhou X, et al. Peli1 promotes microglia-mediated CNS inflammation by regulating Traf3 degradation. Nat Med 2013; 19: 595–602.

【8】Brites D, Fernandes A. Neuroinflammation and depression: microglia activation, extracellular microvesicles and microRNA dysregulation. Front Cell Neurosci 2015; 9: 476.

【9】Dinkins MB, Dasgupta S, Wang G, Zhu G, Bieberich E. Exosome reduction in vivo is associated with lower amyloid plaque load in the 5XFAD mouse model of Alzheimer’s disease. Neurobiol Aging 2014; 35: 1792–800.


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关键词:
小胶质细胞,外泌体,帕金森病

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