Nature Neuroscience(IF=21.2)丨ApoE4诱发神经血管功能障碍原来与这种巨噬细胞有关

文摘   2024-12-15 08:00   广东  

神经血管的完整性对大脑健康至关重要,皮层下白质的微血管损伤是年龄相关性痴呆(包括阿尔茨海默病)的主要诱因。尽管高血压和糖尿病等血管风险因素与白质病变密切相关,但越来越多的证据表明,作为散发性阿尔茨海默病的主要遗传风险因素,载脂蛋白E4(ApoE4)也会增加微血管病变和认知障碍的风险。


众所周知,ApoE4与神经血管的改变有关联。ApoE4阳性个体的脑血流量(CBF)会失调,当阿尔茨海默症发生时,血脑屏障的通透性也会增加。表达人类ApoE4的小鼠(ApoE4-TR小鼠)在神经活动和血管扩张剂诱导的脑血流量增加方面表现出明显变化。然而,ApoE4的细胞来源以及驱动神经血管功能障碍的信号机制仍不清楚。


近日,美国威尔·康奈尔医学院领导的研究团队提出了边界相关巨噬细胞(BAM)在ApoE4引起的神经血管功能障碍和白质损伤中的自主作用。这项研究成果发表在《Nature Neuroscience》杂志上,具有潜在的治疗意义。


图片来源:《Nature Neuroscience》

(https://doi.org/10.1038/s41593-024-01757-6


研究材料与方法

在这项研究中,研究人员在小鼠新皮层局部施用重组ApoE4或ApoE3,并采用激光多普勒血流仪来监测小鼠的脑血流量,以评估ApoE4对神经血管功能的影响。他们采用氯膦酸盐脂质体(CLO)清除BAM或选择性敲除BAM中的ApoE4(其中Mrc1Cre小鼠由赛业生物提供),以判断介导神经血管功能障碍的ApoE4是否来源于BAM。之后,他们还采用骨髓移植策略,以证明BAM ApoE4对白质损伤的致病作用。


技术路线

01

在小鼠新皮层施用重组ApoE4,以确定其是否会破坏神经血管功能

02

深入分析ApoE4引起神经血管功能障碍的机制,确定ApoE4会触发BAM产生ROS

03

利用BAM清除或选择性敲除策略,确定BAM是介导血管效应的ApoE4的唯一来源

04

利用骨髓移植策略,确定BAM对神经血管功能障碍和白质损伤的作用


研究结果

1

ApoE4通过BAM产生的ROS改变神经血管功能

为了确定ApoE4是否直接导致了神经血管效应,研究人员在小鼠新皮层局部施用rApoE4,看看是否会重现ApoE4-TR小鼠中观察到的神经血管功能障碍。他们发现,rApoE4可减弱面部胡须刺激引起的脑血流量增加。同样地,rApoE4也可以减弱乙酰胆碱引起的脑血流量上升,乙酰胆碱是一种血管扩张剂,通过在大脑内皮释放一氧化氮发挥作用。在相同的处理条件下,rApoE3对脑血管不产生影响。这些结果表明,rApoE4(而非rApoE3)会破坏神经血管功能。


一种ROS清除剂可减轻ApoE4-TR小鼠的脑血流量功能障碍。为了深入了解自由基来源于哪种酶,研究人员分析了NAPDH氧化酶(NOX)抑制剂(gp91ds-tat)的效果,因为NOX是脑血管氧化应激的主要来源。利用gp91ds-tat预处理大脑皮层可以防止ApoE4-TR小鼠功能性充血和内皮血管活性的减弱。同样,gp91ds-tat可抵消在WT小鼠新皮层施用ApoE4引起的神经血管功能障碍。这些结果证明了ROS在ApoE4引起的神经血管功能障碍中发挥关键作用,并表明NOX是其主要的酶来源


接下来,他们试图确定ROS来源于哪种细胞。之前的研究发现,边界相关巨噬细胞(BAM)富含产生自由基的酶,是血管氧化应激的主要原因。于是,他们分析了rApoE4是否会诱导BAM产生ROS。结果显示,在WT小鼠中,rApoE4(而非rApoE3)导致BAM中ROS信号增加。在ApoE4-TR小鼠中,ApoE4 BAM中的ROS信号增加,而ApoE4小胶质细胞或内皮细胞中的信号未增加(图1)。这些结果表明,ApoE4会触发BAM产生ROS,而BAM是ApoE4-TR小鼠血管氧化应激的主要来源。


图1 BAM介导ApoE4对脑血管的有害影响[1]


NOX激活需要细胞内钙离子浓度升高。因此,研究人员接下来分析了ApoE4是否会导致BAM中的钙流增加。他们发现ApoE4可诱导强大的内向电流,而去除培养基中的钙离子后该电流消失。ApoE受体抑制剂RAP可阻断该电流。去除培养基中的钙离子可防止钙流和ROS产生,表明钙离子在ApoE4触发ROS产生的信号通路中起着关键作用。


2

BAM是ApoE4神经血管功能障碍的来源和效应物

在此之后,研究人员探究了ApoE4是否作用于BAM并介导神经血管功能障碍。他们使用了幼龄的ApoE3-TR和Apo4-TR小鼠,并通过静脉注射氯膦酸盐脂质体(CLO)来清除BAM。值得注意的是,CLO处理完全逆转了Apo4-TR小鼠功能性充血和内皮依赖性反应的减弱。同样,CLO处理完全阻止了在WT和ApoE-/-小鼠上施用rApoE4所诱导的功能性充血和内皮血管活性减弱。这些结果表明,BAM是ApoE4诱导神经血管功能障碍所必需的。


那么,介导神经血管功能障碍的ApoE4是不是来源于BAM?在分析小鼠大脑的单细胞RNA测序数据集后,他们发现ApoE在BAM中表达,其水平与星形胶质细胞相当,故推测ApoE4很可能来源于BAM。为了选择性敲除BAM中的ApoE4,研究人员将Mrc1Cre小鼠(由赛业生物提供)与ApoE4fl/fl小鼠杂交。利用他莫昔芬处理Mrc1Cre+/ApoE4fl/fl小鼠后,BAM中的ApoE被敲除,但大脑中的ApoE水平没有改变(图2)。


他们发现,在经过他莫昔芬处理的Mrc1Cre+/ApoE4fl/fl小鼠中,神经血管和内皮反应完全正常,更重要的是,在新皮层中施用rApoE4可完全重现神经血管功能障碍(图2)。这一观察结果排除了由于ApoE受体缺陷或产生ROS的下游信号通路缺陷而导致脑血流量正常化的可能性。这些结果表明,BAM中ApoE4的下调不会改变大脑中的ApoE水平,但却能完全缓解神经血管功能缺陷,证实BAM是介导血管效应的ApoE4的唯一来源。


图2 选择性敲除BAM中的ApoE4可恢复神经血管功能[1]


研究人员推测BAM可能是神经血管功能障碍的效应物。为此,他们测试了ApoE4巨噬细胞是否会诱导ApoE3-TR小鼠的神经血管功能障碍。他们发现,将ApoE4-TR小鼠的骨髓移植到ApoE3-TR小鼠体内(E4→E3TR),能够诱导ApoE3-TR小鼠的神经血管功能障碍。相反,将ApoE3-TR小鼠的骨髓移植到ApoE4-TR小鼠体内(E3→E4TR),则能够缓解ApoE4-TR小鼠的神经血管功能障碍。这些数据证明,BAM的ApoE状态是决定神经血管功能的关键因素,而与宿主的ApoE状态无关。


3

BAM ApoE4加剧白质损伤和认知功能障碍

为了证明BAM ApoE4对白质损伤的致病作用,研究人员使用了一种成熟的白质损伤模型(BCAS)来诱导慢性白质损伤。结果显示,ApoE4阳性的BAM加剧了ApoE3-TR小鼠的白质损伤和认知功能障碍,而ApoE3阳性的BAM则挽救了ApoE4-TR小鼠的这一表型。由此可见,BAM的ApoE状态决定了白质对损伤的易感性。


研究结论

图3 BAM中的ApoE4诱导神经血管功能障碍的可能途径[1]


这项研究表明BAM在ApoE4的血管效应中发挥关键作用,并确定这些细胞是介导功能障碍的ApoE4的来源和效应物(图3)。这些结果有助于人们了解BAM在导致认知障碍的神经血管疾病中的作用,并提供了一个潜在靶点,有望抵消与ApoE4基因型相关的白质损伤和微血管疾病的易感性。


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参考文献:

[1]Anfray, A., Schaeffer, S., Hattori, Y. et al. A cell-autonomous role for border-associated macrophages in ApoE4 neurovascular dysfunction and susceptibility to white matter injury. Nat Neurosci 27, 2138–2151 (2024). https://doi.org/10.1038/s41593-024-01757-6


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