APOE4导致血脑屏障功能障碍,预示认知衰退

APOE4 leads to blood-brain barrier dysfunction predicting cognitive decline

作者信息Axel Montagne, Daniel A Nation, Abhay P Sagare, Giuseppe Barisano, Melanie D Sweeney, Ararat Chakhoyan, Maricarmen Pachicano, Elizabeth Joe, Amy R Nelson, Lina M D'Orazio, David P Buennagel, Michael G Harrington, Tammie L S Benzinger, Anne M Fagan, John M Ringman, Lon S Schneider, John C Morris, Eric M Reiman, Richard J Caselli, Helena C Chui, Julia Tcw, Yining Chen, Judy Pa, Peter S Conti, Meng Law, Arthur W Toga, Berislav V Zlokovic
PMID32376954
期刊Nature
发布时间2020-05
DOI10.1038/s41586-020-2247-3

实验完整度

包含人体影像学(DCE-MRI、PET)、脑脊液生物标志物分析、人iPSC来源周细胞体外实验等多个证据层级,并进行了功能验证和机制验证。

主要模型

APOE4携带者(ε3/ε4和ε4/ε4) APOE3纯合子(ε3/ε3) 人iPSC来源的周细胞(APOE3和APOE4)

重点核对

APOE基因型(ε3/ε3、ε3/ε4、ε4/ε4) 认知状态(CDR评分0或0.5) 脑脊液sPDGFRβ基线水平 脑脊液Aβ1-42和pTau状态 DCE-MRI测量的BBB通透性Ktrans值

摘要

Vascular contributions to dementia and Alzheimer's disease are increasingly recognized1-6. Recent studies have suggested that breakdown of the blood-brain barrier (BBB) is an early biomarker of human cognitive dysfunction7, including the early clinical stages of Alzheimer's disease5,8-10. The E4 variant of apolipoprotein E (APOE4), the main susceptibility gene for Alzheimer's disease11-14, leads to accelerated breakdown of the BBB and degeneration of brain capillary pericytes15-19, which maintain BBB integrity20-22. It is unclear, however, whether the cerebrovascular effects of APOE4 contribute to cognitive impairment. Here we show that individuals bearing APOE4 (with the ε3/ε4 or ε4/ε4 alleles) are distinguished from those without APOE4 (ε3/ε3) by breakdown of the BBB in the hippocampus and medial temporal lobe. This finding is apparent in cognitively unimpaired APOE4 carriers and more severe in those with cognitive impairment, but is not related to amyloid-β or tau pathology measured in cerebrospinal fluid or by positron emission tomography23. High baseline levels of the BBB pericyte injury biomarker soluble PDGFRβ7,8 in the cerebrospinal fluid predicted future cognitive decline in APOE4 carriers but not in non-carriers, even after controlling for amyloid-β and tau status, and were correlated with increased activity of the BBB-degrading cyclophilin A-matrix metalloproteinase-9 pathway19 in cerebrospinal fluid. Our findings suggest that breakdown of the BBB contributes to APOE4-associated cognitive decline independently of Alzheimer's disease pathology, and might be a therapeutic target in APOE4 carriers.

实验结论

提炼研究问题、关键发现与证据,快速把握文章的核心贡献。

研究问题
APOE4的脑血管效应(特别是血脑屏障破坏)是否独立于阿尔茨海默病病理,对认知衰退有贡献?
核心机制
APOE4激活CypA-MMP9通路,导致周细胞损伤和血脑屏障破坏,进而引起神经元和突触功能障碍,最终导致认知衰退。
主要证据
在APOE4携带者中观察到海马和海马旁回BBB通透性增加,且与认知损害相关;脑脊液sPDGFRβ、CypA和MMP9水平升高,且sPDGFRβ预测认知衰退;人iPSC来源的APOE4周细胞中CypA和MMP9水平升高。
研究意义
研究提示血脑屏障破坏是APOE4相关认知衰退的独立因素,可能成为APOE4携带者的治疗靶点。

研究路径

按研究推进顺序梳理实验设计、验证步骤与关键观察。

1

受试者纳入与分组

比较APOE4携带者和APOE3纯合子在认知正常和早期认知障碍阶段的血脑屏障功能差异。

从多个中心招募435名参与者,根据APOE基因型(ε3/ε3、ε3/ε4、ε4/ε4)和CDR评分(0或0.5)分组,进行神经心理评估、腰椎穿刺和DCE-MRI检查。

2

血脑屏障通透性测量

评估APOE4携带者与APOE3纯合子在不同认知状态下的脑区BBB通透性差异。

使用DCE-MRI测量海马、海马旁回及其他脑区的Ktrans值,使用钆对比剂。

3

认知功能评估

确定认知功能损害程度,并分析与BBB通透性的关系。

使用UDS神经心理测试组合评估认知领域损害,使用CDR评分和认知域损害数目分类。

4

脑脊液生物标志物分析

测量周细胞损伤、BBB降解、神经炎症和AD病理相关标志物的水平。

测量CSF中sPDGFRβ、CypA、MMP9、白蛋白商、纤维蛋白原、纤溶酶原、Aβ1-42、pTau等水平,并分析其与BBB通透性和认知功能的关系。

5

淀粉样蛋白和tau蛋白PET成像

评估APOE4携带者脑内Aβ和tau积累情况,并检验其与BBB破坏的独立性。

在亚组中进行淀粉样(FBB或FBP)和tau(AV1451)PET扫描,使用SUVR定量,并对脉络丛离靶结合进行校正。

6

人iPSC来源周细胞实验

验证APOE4对周细胞中CypA-MMP9通路的激活作用。

将人iPSC分化为周细胞,检测APOE3和APOE4周细胞中CypA蛋白水平和分泌的MMP9水平。

研究方法

按研究目的归类文中使用的方法,便于定位所需技术。

产品清单

实验环节名称品牌货号
Quick-gDNA血液小提试剂盒Zymo ResearchD3024
重组人亲环素A蛋白R&D Systems3589-CAB
兔多克隆亲环素A抗体Sino Biological10436-T52
MSD SECTOR Imager 6000MSD--
人MMP9超敏试剂盒MSDK151HAC
神经元特异性烯醇化酶ELISAImmunology Consultant LaboratoriesE-80NEN
S100B ELISAEMD MilliporeEZHS100B-33K
MSD多重分析MSDK15198D
MSD多重分析(Aβ1-42)MSDK15200E
Innotest pTau ELISAFujirebio US, Inc.81581
mTeSR1培养基StemCell Technologies85850
基质胶Corning354230
Essential 8培养基ThermoFisherA1517001
ROCK抑制剂Y-27632StemCell Technologies72304
STEMdiff中胚层诱导培养基StemCell Technologies05221
周细胞培养基ScienCell1201
Accutase消化液StemCell Technologies07920
人PDGFRβ生物素化抗体R&D SystemsBAF385
抗生物素磁珠Miltenyi Biotec130-090-485
MACS LS分离柱Miltenyi Biotec130-042-401

关键环节

汇总复现实验时建议重点确认的条件及原文阅读提示。

环节核对要点
受试者分组
APOE基因型、CDR评分、年龄、性别、教育程度
阅读提示:参见Methods部分'Study Participants'和'Participant Inclusion and Exclusion Criteria'
DCE-MRI
对比剂剂量(0.05mmol/kg)、注射速率(3mL/s)、扫描序列参数(3T VIBE,FA=15°,TR/TE=5.14/2.18ms)、分析流程(Patlak模型)
阅读提示:参见Methods部分'Magnetic Resonance Imaging and Analysis'和'Quantification of the Blood-Brain Barrier Permeability'
认知评估
神经心理测试量表(UDS版本2.0或3.0)、认知域损害定义(一个领域内2项测试或跨领域3项测试低于常模1SD以上)
阅读提示:参见Methods部分'Cognitive Domain Impairment Evaluation'
脑脊液生物标志物
CSF采集和处理(离心条件、储存温度)、sPDGFRβ定量方法(定量Western blot)、CypA和MMP9检测平台(MSD)
阅读提示:参见Methods部分'Lumbar Puncture and Venipuncture'、'Molecular Assays'
PET成像
示踪剂类型(FBB、FBP、AV1451)、注射剂量、图像采集时间、离靶校正方法(脉络丛校正)
阅读提示:参见Methods部分'Positron Emission Tomography and Analysis'
iPSC周细胞分化
iPSC系(APOE3和APOE4)、分化方案(MIM 5天、周细胞培养基7天)、分选抗体(PDGFRβ)
阅读提示:参见Methods部分'Human Induced Pluripotent Stem Cells (iPSCs)'和'Differentiation of iPSCs into Pericytes'