APP/PS1 小鼠研究揭示慢性诱发癫痫与阿尔茨海默病的关联

背景介绍

阿尔茨海默病（Alzheimer’s Disease，AD）是全球最常见的痴呆类型，影响超过5500万人。AD 的典型病理特征是脑内淀粉样β（Aβ）沉积。尽管对于 Aβ 沉积和其引起的机制在 AD 的诊断和进展中起着重要作用，但大量证据表明，Aβ 沉积并不仅仅是 AD 进展的唯一原因。因而，研究早期 AD 阶段在无 Aβ 斑块沉积前的病理机制对于理解和治疗 AD 至关重要。

5%的 AD 病例发生在65岁之前，被认为是早发性 AD（EOAD）。这些病例常伴有颞叶癫痫，近年来癫痫在 AD 中作为一种未被充分研究的并发症逐渐受到重视。不幸的是，癫痫如何直接影响 AD 的进展和症状严重性仍然不明确。本研究旨在探讨在 AD 早期阶段，癫痫诱发的神经元过度兴奋性如何影响疾病进展。

研究来源

该研究由 Aaron Del Pozo、Kevin M. Knox、Leanne M. Lehmann、Stephanie Davidson、Seongheon Leo Rho、Suman Jayadev 和 Melissa Barker-Haliski 进行，作者们分别来自华盛顿大学医学院的癫痫药物发现研究中心和神经病学系。论文发表于《Progress in Neurobiology》杂志，在线发布日期为 2024 年 3 月 13 日。

研究流程

实验安排

实验对象和实验方法：

• 实验对象：

  • 2~3 月大的 APP/PS1、PSEN2-N141I 转基因小鼠和对照组小鼠。
  • 分别包括雄性和雌性小鼠。

• 实验方法：

  • 使用角膜点燃（corneal kindling）模型，这是一个已被充分研究的癫痫模型。通过在小鼠角膜上施加电刺激，诱发癫痫发作。
  • 实验组小鼠经过为期两周的角膜点燃或模拟角膜点燃处理。

实验步骤：

1. 角膜点燃：

   • 对2个月大的 APP/PS1 和 PSEN2-N141I 小鼠及其对照小鼠进行两周的双侧正弦脉冲电刺激（3秒、60赫兹、1.6-2.0毫安）。
   • 记录癫痫发作的严重程度并统计达到点燃标准（连续5次Racine等级5阶段发作）的时间。

2. 生存率评估：

   • 评估在角膜点燃期间和达到点燃标准后的小鼠生存率。

3. 生物样品收集：

   • 小鼠在达到点燃标准后24-72小时内被处死，快速取出脑组织，并进行组织切片和蛋白质检测。

4. 分子生物学检测：

   • 通过西方印迹法检测海马和前额叶皮层中与5-羟色胺（5-HT）途径相关的蛋白质（如色氨酸羟化酶2、单胺氧化酶A、5-羟色胺转运体）及AD相关的蛋白质（如PS1、PS2、Aβ）的表达。

5. 免疫组化分析：

   • 通过免疫组化方法评估海马和皮层中星形胶质细胞（GFAP）、小胶质细胞（IBA-1）、神经元（Neun）和Aβ等的阳性细胞数量和蛋白质表达密度。

实验结果

1. 角膜点燃效果：

   • APP/PS1 雌性小鼠比对照组更易于被点燃，表现出更高的癫痫负担并更快达到点燃标准。
   • APP/PS1 雄性小鼠未表现出与雌性小鼠相同的点燃速率和癫痫负担差异。
   • PSEN2-N141I 小鼠（雄性和雌性）未显示出显著的点燃速率和癫痫负担差异。

2. 生存率：

   • 较早达到点燃标准后，APP/PS1 小鼠的高死亡率显著增加（约75%）。
   • PSEN2-N141I 小鼠没有显示出显著的癫痫诱发死亡率。

3. 分子生物学和免疫组化结果：

   • 点燃状态下的 APP/PS1 小鼠海马中，色氨酸羟化酶2和单胺氧化酶A的蛋白质表达显著降低，而5-羟色胺转运体的表达增加。
   • APP/PS1 小鼠未显示出Aβ斑块沉积，但Aβ蛋白水平增加。
   • 星形胶质细胞和小胶质细胞反应显著增强，尤其是在 CA3 和齿状回区域。
   • PSEN2-N141I 小鼠未显示有明显的影响。

结论及意义

这项研究首次直接证明了在 AD 早期阶段诱发的神经元过度兴奋性可以通过扰乱 5-HT 信号通路，恶化 AD 病理特征并加速死亡。研究结果还显示，慢性癫痫发作和神经元过度兴奋性可导致 APP/PS1 小鼠中 Aβ 蛋白质水平上升，但无斑块沉积，且显著影响胶质细胞反应。

研究指出，制止早期和持续的神经元过度兴奋可以减缓 AD 疾病的长期病理特征，呼吁对潜在的治疗干预进行更多研究。通过更早地处理神经元过度兴奋，可能能减轻 AD 进程并延长患者寿命。这为未来 AD 的研究和治疗提供了新的思路和方向。

研究亮点

1. 鉴别早期神经元兴奋性对 AD 进展的影响：

   • 在 AD 病理特征（如 Aβ 斑块）形成之前，首次证明神经元过度兴奋会直接影响疾病的长期结果。

2. 发现新治疗靶点：

   • 鉴定出 5-HT 路径在神经元过度兴奋性和 AD 病理特征恶化中的关键作用，为新型治疗提供了潜在靶点。

3. 应用角膜点燃模型：

   • 角膜点燃作为一种有效且可操控的实验模型，为研究癫痫与 AD 的关系提供了一种可行的方法。

4. 性别差异：

   • 发现 APP/PS1 雌性小鼠比雄性更易于癫痫点燃，凸显了在研究中考虑性别差异的重要性。

这项研究不仅从机制上深入解析了癫痫与 AD 的关系，更为未来通过干预神经元过度兴奋以缓解 AD 进程提供了新的方向和希望。