阿尔茨海默病中β-淀粉样蛋白从脑到眼的运输导致视网膜退化的机制研究
第一作者及机构
本研究由南京医科大学第一附属医院眼科的Qiuchen Cao（曹秋晨）等学者主导，合作单位包括南京医科大学神经退行性疾病重点实验室、美国贝勒医学院眼科、丹麦哥本哈根大学转化神经医学中心等。研究成果发表于《Journal of Experimental Medicine》（JEM）2024年第221卷第11期，标题为“Transport of β-amyloid from brain to eye causes retinal degeneration in Alzheimer’s disease”。
学术背景
阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease, AD）的病理变化不仅局限于大脑，还涉及肝脏、肾脏等其他器官。AD患者常伴随视觉功能障碍，如瞳孔反应异常、对比敏感度下降等，但其机制尚不明确。既往研究发现，AD患者视网膜中存在β-淀粉样蛋白（Aβ）沉积，但Aβ的来源及其对视网膜损伤的具体机制仍待阐明。
本研究聚焦于“脑-眼”通路，提出假说：大脑中的Aβ可能通过脑脊液（cerebrospinal fluid, CSF）沿视神经运输至眼部，导致视网膜退化。研究团队利用AD患者尸检样本和5×FAD转基因小鼠模型，结合多种示踪技术，揭示了Aβ的运输路径及其分子机制，并探讨了水通道蛋白4（aquaporin-4, AQP4）在这一过程中的作用。
研究流程与方法
样本与模型
- 人类样本：AD患者和健康对照者的眼球及脑组织（样本量：AD患者3例，对照3例）。
- 动物模型：10月龄5×FAD小鼠（模拟AD病理）和野生型（WT）小鼠，AQP4基因敲除（KO）小鼠。
Aβ沉积检测
- 免疫荧光染色：使用6E10抗体标记Aβ，结合血管标志物（laminin、IB4）和淋巴标志物（LYVE1、PROX1），观察Aβ在视网膜、视神经及眼周淋巴管中的分布。
- 3D重建：通过共聚焦显微镜对Aβ沉积位置进行三维定位，明确其与血管和淋巴管的空间关系。
示踪实验
- 脑脊液示踪：向小鼠小脑延髓池（cisterna magna, CM）注射伊文思蓝（Evans Blue）和荧光标记的Aβ1-42，动态观察示踪剂从脑到眼的运输路径（时间点：10、30、60分钟及3、7、15天）。
- 磁共振成像（MRI）：注射钆喷酸（Gd-DTPA）后，通过MRI追踪示踪剂在视神经中的扩散。
功能与病理分析
- 视觉功能测试：通过光暗箱实验（light-dark box）和视动反应（optomotor response）评估小鼠视力。
- 视网膜厚度测量：光学相干断层扫描（OCT）和HE染色分析视网膜结构变化。
- 单细胞RNA测序：分析5×FAD小鼠视网膜中APP（淀粉样前体蛋白）和PSEN1（早老素1）的表达模式。
AQP4机制研究
- 极性分析：通过免疫荧光量化AQP4在血管周围与实质中的分布差异，评估其极性状态。
- 清除功能验证：比较WT与AQP4 KO小鼠中Aβ的清除效率。
主要结果
Aβ在眼部的沉积特征
- AD患者和5×FAD小鼠的视网膜、视神经血管周围及眼周淋巴管中均检测到Aβ沉积，且与血管共定位（图1-2）。
- 3D重建显示Aβ主要分布于动脉周围间隙（perivascular space, PVS），静脉中较少（图2K）。
脑-眼运输路径的证实
- 示踪实验表明，Aβ通过视神经鞘的蛛网膜下腔（subarachnoid space, SAS）和视神经轴突间隙运输至视网膜（图5-6）。
- 注射后60分钟，Aβ可沿视网膜血管扩散至全视网膜（图5N）。
AQP4的关键作用
- AQP4敲除小鼠的Aβ运输速度显著降低，且视网膜中Aβ清除延迟（图8）。
- AD患者和5×FAD小鼠的AQP4极性紊乱，导致血管周围Aβ滞留（图9）。
视网膜功能损伤
- 5×FAD小鼠表现为视网膜变薄、光感受器细胞退化及视觉行为异常（图3, 7）。
- 脑源性Aβ注射7天后，小鼠出现视力下降，15天后视网膜厚度显著减少（图7D-F）。
结论与意义
本研究首次揭示了AD中脑源性Aβ通过“脑-眼”通路导致视网膜退化的机制：
1. 科学价值：明确了Aβ的跨器官运输路径，为AD的全身性病理提供了新证据。
2. 应用价值：视网膜Aβ沉积可作为AD早期诊断的生物标志物，AQP4调控可能成为治疗靶点。
3. 理论创新：提出“眼glymphatic系统”（ocular glymphatic system）的概念，类比脑glymphatic系统，拓展了神经退行性疾病的研究范式。
研究亮点
- 多模态技术整合：结合示踪实验、MRI、单细胞测序，全面解析Aβ运输的动态过程。
- 跨物种验证：人类样本与小鼠模型结果高度一致，增强结论可靠性。
- AQP4的极性机制：首次发现AQP4极性紊乱是AD视网膜Aβ沉积的核心因素。
局限性：人类样本量较小，需扩大队列验证；AQP4调控的具体信号通路待进一步探索。
（注：原文中图表及补充数据可参考JEM官网DOI:10.1084/jem.20240386）