光照治疗阿尔兹海默症？
光遗传手段操控小胶质细胞选择性吞噬Aβ与突触!
Neuron
2024.03.06
詹阳 中科院深圳先研院
研究背景
小胶质细胞在中枢神经系统发育和稳态维持过程中发挥着关键作用。同时，其在阿尔兹海默症（AD）的病理进程中的潜在作用也受到广泛关注。激活的小胶质细胞可以清除AD病理进程中产生的多种毒性蛋白，如β淀粉样蛋白（Aβ）与tau蛋白，但也会吞噬神经元突触从而影响患者的认知功能。由于缺少合适的工具，尚未有研究团队能做到精准操控小胶质细胞的状态。
近期，来自深圳先进技术研究院的詹阳团队在《Neuron》上发表题为“Clearance of β-amyloid and synapses by the optogenetic depolarization of microglia is complement selective”的文章【1】，通过结合光遗传学工具与抗体抑制剂，成功增强小胶质细胞Aβ清除能力，同时抑制其对突触的降解。
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结果一：体外验证光遗传学操纵小胶质细胞
去极化体系
研究者使用搭载CMV-ChETA-EYFP的慢病毒感染BV2细胞和原代小胶质细胞（图1A），并借助膜片钳技术成功检测到了蓝光刺激诱导的去极化电流（图1B,C）。在蓝光照射1小时后，该细胞吞噬荧光标记微珠、突触体与Aβ的量相较于对照组显著增加(图1D-G)
图1
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结果二：构建光遗传学在体操纵小胶质细胞
去极化吞噬Aβ的动物模型
为在体靶向刺激小胶质细胞去极化，研究者将 Cx3cr1-creER小鼠与Ai27小鼠杂交【2】，并使用他莫昔芬诱导（图2B）光通道蛋白ChR2H134R与荧光蛋白tdTomato只在小鼠体内的小胶质细胞中特异表达(图3A)。膜片钳记录显示，与细胞模型相似，光刺激也能诱导Cx3cr1-creER::Ai27双杂交小鼠脑片中小胶质细胞去极化。将光纤移植到小鼠脑内，经过3天的蓝光刺激后，研究者发现Cx3cr1-creER::Ai27小鼠脑内小胶质细胞密度在光纤移植部位附近显著增加（图2C,D）。在光纤移植部位附近的小胶质细胞形态也发生了显著变化：细胞体积增加约3倍，分支数量明显减少，吞噬溶酶体标志CD68的表达量也显著升高(图2C,E)。另外，蓝光照射区域的炎症因子相关基因表达量显著上升。上述结果表明光刺激成功诱导小胶质细胞增殖与吞噬样状态活化。
图2
研究者进一步将Cx3cr1-creER::Ai27小鼠与5xFAD小鼠杂交 (图3A)。在光刺激诱导下，Cx3cr1-creER::Ai27::5xFAD杂交小鼠光纤移植部位附近的脑区不仅出现与前述双杂小鼠相同的小胶质细胞密度与形态变化，而且Aβ的量也显著减少（图3B-F）。此外，Cx3cr1-creER::Ai27双杂小鼠脑室注射外源性Aβ诱导的AD动物模型中，光刺激同样显著减少Aβ的量。
图3
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结果三：光遗传学激活的小胶质细胞吞噬突触能力增强
小胶质细胞在突触修剪的过程中发挥着重要作用，因此研究者检测了光刺激的Cx3cr1-creER::Ai27双杂小鼠脑区突触相关标志蛋白VGlut1、PSD95和synaptophysin的表达水平，结果显示这些突触相关蛋白均显著下降（图4A-D）。为进一步从形态学观察神经元突触的修剪情况，研究者借助AAV-hSyn-Cre和AAV-EF1a-DIO-EYFP联合的双病毒神经元稀疏标记系统，可以清晰地标记单个神经元形态（图4E）。成像结果提示光刺激诱导后，小鼠神经元树突棘的数量显著减少(图4F)。
图4
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结果四：抑制补体系统使光遗传学激活的小胶质细胞选择性吞噬Aβ，减弱其突触清除能力
小胶质细胞吞噬突触的能力与补体系统活化有较强的关联性。在该研究中，光刺激的Cx3cr1-creER::Ai27小鼠脑区中检测到了显著上升的C1q信号,并且与突触标志蛋白PSD95与VGlut1 共定位程度较高（图5A-C）。研究者在光刺激的Cx3cr1-creER::Ai27小鼠脑室中注射C1q抗体，发现PSD95和VGlut1的信号相较于对照组显著提高（图5D-F），表明小胶质细胞吞噬降解突触的能力可能被C1q抗体抑制。最重要的是，体外实验显示C1q抗体能降低去极化小胶质细胞吞噬降解突触的能力，但不能抑制小胶质细胞吞噬Aβ的能力（图5G-I）。因此，研究者认为使用光遗传系统控制小胶质细胞去极化的同时联合使用C1q抗体，可以达到清除Aβ但减少突触降解的目的。
图5
最后研究者在Cx3cr1-creER::Ai27双杂小鼠脑室注射Aβ诱导的AD模型中验证这一策略的可行性(图6A)。Cx3cr1-creER::Ai27小鼠光刺激脑区小胶质细胞活化，吞噬降解Aβ能力显著增强，而C1q抗体的使用则大幅将减少突触相关标志蛋白VGlut1和PSD95被小胶质细胞吞噬降解（图6B-G）。因此研究者通过结合光遗传学工具与补体抗体的使用，成功做到了精准操控小胶质细胞选择性清除Aβ。
图6
结果讨论
分析讨论
本文使用的Ai27小鼠中的光通道蛋白为ChR2H134R,需要光纤植入才能达到有效的光刺激，会造成侵入性伤害，且限制了行为学功能检测。编者猜想若借助近年新改构的具有高光激活深度特性的光通道蛋白ChRmine【3】构建新的小鼠模型，则是否可以在非侵入式的条件下提供有效的光刺激，并加大受调控的脑区范围，从而使小鼠行为学变化的检测成为可能？
参考文献
Lv Z, et al. Clearance of beta-amyloid and synapses by the optogenetic depolarization of microglia is complement selective. Neuron 112, 740-754 e747 (2024).
Madisen L, et al. A toolbox of Cre-dependent optogenetic transgenic mice for light-induced activation and silencing. Nat Neurosci 15, 793-802 (2012).
Chen R, et al. Deep brain optogenetics without intracranial surgery. Nat Biotechnol 39, 161-164 (2021).
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作者丨章靖
审稿丨杨树广、周峰泉
推文编辑 | 余滋恺
