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感染会引发阿尔茨海默病吗?

Nov 17, 2020 No Comments

感染会引发阿尔茨海默病吗1

一些科学家认为,像单纯疱疹病毒1(图为上皮细胞上的单纯疱疹病毒1)这样的微生物可能会引发阿尔茨海默病。

 


一种边缘理论认为,大脑中的微生物与痴呆症的发生有关。现在,研究人员正在认真思考这种可能性。

两年前,免疫学家和医药出版企业家Leslie Norins提出,任何能够证明阿尔茨海默氏症是由细菌引起的科学家,都将得到他自己提供的100万美元奖金。

感染可能导致阿尔茨海默氏症的理论几十年来一直处于神经科学研究的边缘。相反,大多数阿尔茨海默病研究人员认为,关键的罪魁祸首是大脑中名为淀粉样蛋白的粘性分子,它会聚集成斑块,引发炎症、杀死神经元。这种主流理论背后有大量的证据支持。

Norins想奖励那些使感染理论更有说服力的工作。淀粉样蛋白假说已经成为“金科玉律”,Norins认为,少数研究微生物并发表论文的先驱受到了嘲笑或忽视。

很大程度上,这是因为一些早期感染理论的支持者试图用感染假说取代淀粉样蛋白假说。但最近的一些研究提供了有趣的线索,表明这两种观点可能是一致的——感染可能触发淀粉样蛋白团块的产生,从而引发一些老年痴呆症病例。

这些数据暗示了淀粉样蛋白在神经元中的基本作用。淀粉样蛋白不仅仅是一种有毒的废物,还可能有一项重要的工作:保护大脑免受感染。但年龄或基因可能会破坏大脑的平衡,将淀粉样蛋白从防御者变成病源。

这个想法为探索潜在疗法提供了新的途径。为了进一步验证这一理论,科学家现在正在开发更接近模拟阿尔茨海默氏症的动物模型。伦敦大学学院(University College London)英国痴呆症研究所(UK Dementia Research Institute)所长、神经学家Bart de Strooper表示,他们正在认真对待这些想法。

 

罪魁祸首——淀粉样斑块

淀粉样蛋白假说认为,阿尔茨海默病是由脑细胞之间形成的粘性、可溶性蛋白质——β-淀粉样蛋白肽——造成的。这些肽是从嵌在神经元细胞膜上的另一种蛋白质中分离出来的。一旦自由漂浮,它们就会聚集在一起形成更大的结构,这些结构如果不能被特殊的酶有效清除,就会聚集成斑块。这些斑块随后会引发致命的级联反应,引发神经炎症,并产生一束名为tau缠结的纤维蛋白。面对这一连串的伤害,神经元最终会死亡。

该假说的批评者指出,许多没有罹患阿尔茨海默病的人的大脑在死后都被证明含有斑块。他们指出,许多旨在溶解淀粉样斑块的临床试验都失败了,而这些试验都没有减缓疾病的发展。支持淀粉样蛋白理论的研究人员反驳指出,尽管每个人的斑块密度差别很大,但它们引发的tau蛋白缠结的密度与疾病的严重程度密切相关。临床试验之所以可能失败,是因为治疗干预的时间太晚了。

他们也有强有力的证据支持自己的观点。有一些罕见的、侵袭性的阿尔茨海默氏症出现得很早——在30岁到60岁之间——并且家族遗传。这些疾病是由控制淀粉样蛋白生成过程和大脑炎症的基因突变引起的。许多其它致病基因与更常见的晚发型糖尿病的风险有关。一些致病基因编码的蛋白是淀粉样蛋白级联的因子,还有一些致病基因与先天免疫系统有关——一组能够快速激活以防止病原体在体内扩散,并导致炎症的机制。

 

感染因素

希望测试感染假说的研究人员已经在数千名老年痴呆症患者死后的大脑中寻找微生物。de Strooper表示,在许多患者中,他们也确实找到了微生物。但是这些研究只是显示了可能与机制无关的关联性因素。

英国曼彻斯特大学(University of Manchester)的生物物理学家Ruth Itzhaki在1990年报道了对阿尔茨海默氏症患者大脑中单纯疱疹病毒1(herpes simplex virus 1, HSV1)的观察结果,她对这些批评表示愤怒。Itzhaki认为,存在于大脑的微生物一定具有自己的作用,她和其他人认为,他们有充分的证据表明病毒是老年痴呆症的关键。他们大多数人都承认β-淀粉样蛋白是阿尔茨海默病的一个非常重要的特征——但它不是病因。

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阿尔茨海默氏症患者的脑组织样本有时含有微生物。

 

几种微生物被认为是老年痴呆症的诱因,包括三种人类疱疹病毒和三种细菌:引起肺部感染的肺炎衣原体(Chlamydia pneumoniae)、莱姆病的病原体布氏疏螺旋体(Borrelia burgdorferi),以及最近研究发现的牙龈卟啉单胞菌(Porphyromonas gingivalis)——一种会导致牙龈疾病的病毒。从理论上讲,任何侵入大脑的传染性病原体都可能具有这种触发作用(然而,没有充分的证据表明,导致COVID-19的SARS-CoV-2病毒具有这种能力)。

该领域的大多数研究小组都偏爱一种微生物,2018年两篇引人注目的论文研究了疱疹病毒的作用。其中一项研究来自纽约市西奈山伊坎医学院(Icahn School of Medicine)的Joel Dudley的团队。他们分析了来自各种数据库中近1000个死后大脑的基因、蛋白质和组织结构的大量数据。该研究小组在脑组织中寻找病毒的特征——疱疹特有的基因片段或蛋白质片段——并得出结论:在患有老年痴呆症的人群中,人类疱疹病毒6A(HHV-6A)和人类疱疹病毒7的水平要高于对照组。

但是其他研究人员,包括马里兰州贝塞斯达国家神经疾病和中风研究所(National Institute of Neurological Disorders and Stroke)的病毒学家Steven Jacobson的团队研究了1000多个死后大脑样本,但并没有重现Dudley的发现。

在Dudley的研究中,尽管个体大脑的病毒水平令人印象深刻,但结果是相关性的,而非因果性的。位于波恩的德国神经退行性疾病中心(German Centre for Neurodegenerative Diseases)的Michael Heneka指出,数据的来源也令人担忧。阿尔茨海默氏症患者的大脑在死亡前就已经处于糟糕的状态,组织在尸检前就已经进一步分解;在生命的最后几天或死后,微生物很容易进入这些大脑。他们不能从尸检资料中对阿尔茨海默症的发病机理做出太多假设,因为这种疾病的发病轨迹大约有30年。

在Dudley发表这篇论文之前,中国台湾刚刚进行了一项长达10年的研究,该研究跟踪调查了8000多名被诊断为单纯性疱疹病毒的患者,并将他们与25000名没有被诊断为单纯性疱疹病毒的对照组进行了比较。虽然患有疱疹的人群患阿尔茨海默病的风险增加了2.5倍,但那些接受积极药物治疗的人几乎没有这种风险。

在该理论最近的声望上升之前,感染可能以某种方式引发阿尔茨海默氏症的想法就已经足够吸引研究人员进行临床试验了。2017年,纽约市哥伦比亚大学(Columbia University)的一个团队开始测试抗病毒药物缬氨昔洛韦(valacyclovir)是否能减缓轻度阿尔茨海默病患者的认知能力下降和淀粉斑块形成,这些患者的单纯性疱疹病毒抗体测试也呈阳性。结果预计将在2022年揭晓。

 

证据积累

当人体研究只提供相关性时,研究人员常常转向动物实验来寻找原因。但老年痴呆症的动物模型并不完美:以小鼠为例,它们不会随着年龄的增长而产生这种标志性的斑块,除非它们是经过基因改造而产生的。广泛使用的5xFAD转基因小鼠在编码前淀粉样蛋白和一种将前淀粉样蛋白切割成β-淀粉蛋白的酶的基因中存在5个突变。这些小鼠超高水平地表达了这些基因,它们在两个月大的时候就开始形成斑块。

马萨诸塞州综合医院(Massachusetts General Hospital)神经遗传学家Rudolph Tanz等人使用5xFAD小鼠模型来研究阿尔茨海默症,这是他们于2008年一个星期五的下午突然冒出的念头。当时是部门传统的“啤酒时间”——员工和学生称之为“调整心态时间”,这个想法突然出现。

Tanzi一直在一些新的人类基因组学数据中寻找阿尔茨海默病的风险基因,但他困惑地发现一个CD33的基因出现在风险清单中。CD33是一种在先天免疫系统中广泛表达的蛋白质。他去隔壁找他的朋友和同事Rob Moir,问他对先天免疫系统的基因出现在阿尔茨海默病的风险清单里怎么看。

Moir是一名神经学家,他当时正忙着调查生命科学文献中的新内容,偶然发现了一篇关于抗菌肽的论文,这种肽存在于许多天然免疫途径中。Moir让Tanzi看他的新发现:电脑屏幕显示出一个表格,表格描述了很多肽,它们与β-淀粉样蛋白长度相当,并且具有一些类似的属性。Moir问Tanzi,“你觉得,β-淀粉样蛋白会不会是一种抗菌肽?”Tanzi没有犹豫,立即表示,他们试试看就知道了!

Moir赞同这个想法。据Tanzi回忆,Moir特别固执,一定要打破砂锅问到底。

在此之前,没有人考虑过β-淀粉样蛋白是否可能有它自己的特殊作用,尽管事实上它在跨物种中高度保守——一种强有力的提示,其可能具有重要生物作用。这一序列至少有4亿年的历史,在大约三分之二的脊椎动物中都存在。他们推测,也许β-淀粉样蛋白不仅仅是一个坏分子。也许它有一种有益的功能,诱捕进入大脑的微生物,阻止它们致病。当大脑老化,失去有效清除淀粉样蛋白的能力时,这个系统才可能会出问题。

主修微生物学的Tanzi让研究生Stephanie Soscia在试管中快速观察淀粉样淀粉酸盐是否能杀死8种常见的致病微生物,包括肺炎链球菌和大肠杆菌。她发现它是可以的——至少和已知的抗菌肽一样有效。

他们在2010年将这一事实迅速公布在媒体上,在接下来的几年里,Moir主持了一系列更彻底的实验,以探究他们现在所说的抗菌素保护假说。他们将鼠伤寒沙门氏菌(Salmonella typhimurium)直接注射到产生斑块的5xFAD小鼠的大脑中,发现它们比没有斑块的非转基因小鼠存活的时间更长。他们利用致病真菌白色念珠球菌(Candida albicans)在线虫身上发现了类似的结果。在这两种情况下,淀粉样蛋白都形成了粘性的网,吞噬并清除了病原体(图:微生物可以孕育斑块)。

然后,研究小组将注意力转向疱疹病毒。疱疹病毒是最常与阿尔茨海默病联系在一起的人类病原体。他们将HSV1注射到5xFAD和正常小鼠的大脑中。在三周内,转基因小鼠的大脑布满了淀粉样斑块。当研究小组用致命剂量的HSV1重复这个实验时,转基因老鼠比对照组活得更长——而且斑块在两天内就出现在它们的大脑中。Tanzi提醒,这是一件令人惊奇的事情。

HSV1非常普遍,全世界超过一半的人体内都有这种病毒。但是Moir还想测试HHV-6的作用,HHV-6在10%的健康大脑中都存在——尽管通常是低水平的,而且影响未知。小鼠对HHV-6病毒有抵抗力,所以Moir的团队在人类神经细胞的3D培养中研究了病毒的作用,这些细胞模拟了老年痴呆症的某些方面。正常情况下,培养6周后,这个小的脑器官样体开始积累淀粉样斑块和tau缠结。但是,正如研究人员在小鼠身上看到的那样,在他们加入病毒后仅仅两天,斑块就出现了。

Moir和Tanzi继续研究疱疹病毒对类器官中缠结的影响,以及tau缠结是否会阻碍病毒沿神经元的传播。尽管Moir于2019年12月因病去世,但Tanzi表示,他的团队仍在从事这方面的工作。

Tanzi指出,到目前为止,他的概念验证实验的结果是“如果你制造了β-淀粉样蛋白,你就能更好地抵御感染”。但他承认,真正的证据——看到感染引发淀粉样蛋白级联从而导致疾病——还有很长的路要走。目前还没有人知道β-淀粉样蛋白的抗菌特性是否真的是作为人体正常生理过程的一部分,或者它们在大脑防御机制的整体调色板中有多重要。就像罕见的基因突变一样,感染可能是引发阿尔茨海默氏症的导火索之一。

Tanzi的实验室意识到,在疾病开始时引发斑块形成的病原体在患者死亡时可能已经被清除了。因此他们正致力于开发分离和分析单个斑块的技术,以观察斑块内部是否有微生物的踪迹。Tanzi认为这就像是一种考古挖掘。

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间接证据

Tanzi的工作还没有被独立地重复出来,但是其他的实验已经为抗菌保护假说提供了间接的支持。例如,位于加州南旧金山的生物技术公司Genentech的科学家发现,一种名为PILRA的基因突变与降低患阿尔茨海默病的风险有关。PILRA在多种免疫细胞中都有表达。该基因产生一种蛋白质,帮助疱疹病毒和其它病毒进入神经元,研究人员认为,这种突变可能阻止这种进入。

最有趣的是,纽约康奈尔大学(Cornell University)化学生物学家Yue-Ming Li的实验室在2020年发表的一篇论文中提出了一种可能将神经炎症与淀粉样蛋白生产联系起来的机制。Li的团队发现,当病毒进入大脑时,一种名为IFITM3的蛋白质会被激活。这种蛋白质与一种叫做γ-分泌酶(γ-secretase)的淀粉生成酶结合,增加淀粉样蛋白的生成。

Li和他的团队观察了脑库的标本,发现IFITM3基因的表达随着年龄的增长而增加。阿尔茨海默氏症患者的大脑中IFITM3的水平也高于对照组。更重要的是,在培养的脑细胞实验中,他们发现一种促进炎症的分子——一种叫做干扰素的细胞因子,同时增加了IFITM3和β-淀粉样蛋白的水平(在人类的大脑样本中,更多的IFITM3总是伴随着更多的干扰素)。他们认为,这一切都表明,这种蛋白质可以作为炎症和淀粉生成过程的中间媒介。

Li现在正在研究是否IFITM3可以成为一个生物标志物,来帮助决定哪些患者可以被招募到抗炎疗法的临床试验中,或者是靶向γ-分泌酶的药物中。他还在探索γ-分泌酶是否可以成为药物开发的有用目标。

de Strooper指出,这些结果让他们 “向前迈出的一大步”,因为它们揭示了包括癌症在内的许多复杂疾病的特征。这一过程“可以由导致家族性阿尔茨海默病的突变触发。这些突变会产生更多的淀粉样蛋白,从而导致炎症;也可以由感染触发,感染导致炎症,从而导致淀粉样蛋白肽的过量生成”。

de Strooper提醒,如果这是真的,这将对阿尔茨海默氏症的治疗有重要的意义,因为阻止β-淀粉样蛋白的生成可能意味着感染突然对大脑构成更大的威胁。但这完全是推测性的,它取决于β-淀粉样蛋白在大脑整体防线中的重要性。

一些研究人员仍然质疑感染在阿尔茨海默病中起主要作用的理论。伦敦大学学院(University College London)的神经科学家John Hardy与de Strooper等人分享了2018年的Brain Prize,以表彰他们在阿尔茨海默氏症方面的研究成果。Hardy表示,他愿意“押5英镑,而不是500英镑”,赌抗菌素保护理论是正确的。但是他不认为这是可以证明的,而且他不认为除了基因之外,关于阿尔茨海默症还有很多需要解释的地方。英国爱丁堡大学(University of Edinburgh)的神经学家Tara Spires-Jones表示,尽管迄今为止的数据可能提示了感染通过产生炎症而引发某些阿尔茨海默症的可能性,但衰老的正常过程也可能是一种解释。她指出,衰老是患老年痴呆症的最大风险因素。在她个人看来,随着年龄增长而出现的大脑炎症更有可能是原因。

然而,一些科学家认为,如果有正确的模型,感染理论是可以证明的,即使很难证明有多少比例的阿尔茨海默病是由微生物引起的。Jacobson被这种新的可能性迷住了,他希望开发一种狨猴模型来测试感染理论,因为这种小的灵长类动物比其他模型更准确地模仿了人类的阿尔茨海默氏症病理。Tanzi计划用一只β-淀粉样蛋白基因被替换的小鼠模型来研究这一理论,这种小鼠以正常生理水平表达β-淀粉样蛋白。另一个关键步骤是让独立实验室复制现有的发现。

至于Norins提供的奖项,迄今已有40名申请者提交了作品,希望能在明年3月拿到奖金,届时挑战结果将公布。Norins意识到这项任务的艰巨性。他认为,细菌导致老年痴呆症的证据将是“最难提供的证据”。

 

原文检索:
Alison Abbott. (2020) Are infections seeding some cases of Alzheimer’s disease? Nature, 587: 22-25.
张洁/编译

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