SCIENCE丨通过恢复海马体葡萄糖代谢，挽救阿尔茨海默病人的认知功能

大家好，今天给大家分享的是2024年8月23日发表在Science上面的题为《Restoring hippocampal glucose metabolism rescues cognition across Alzheimer’s disease pathologiesg》的一篇文章。本篇文章通讯作者是斯坦福大学医学院的Katrin I. Andreasson教授，Andreasson教授课题组的主要研究方向为神经退行性疾病的预防与治疗。

研究背景：

（1）阿尔茨海默病（Alzheimer'sdisease，AD）的发病机制

AD病理的标志是脑中的斑块和缠结，斑块主要由Aβ蛋白沉积组成，缠结主要由p-Tau组成。经研究，与Aβ沉积和Tau蛋白缠结伴随发生的是大脑多区域的葡萄糖代谢紊乱。星形胶质细胞是大脑中糖原的主要储存库，糖原在此分解为乳酸并输出，为神经元线粒体呼吸和突触活动提供能量。

（2）IDO1酶的功能

吲哚胺2，3-双加氧酶1（IDO1），一种在星形胶质细胞中表达，可介导色氨酸（TRP）分解代谢为犬尿氨酸（KYN）的限速酶。具体过程：KYN与芳香烃受体（AhR）结合导致AhR入核，后AhR与AhR核转运受体（ARNT）二聚，进而导致缺氧诱导因子1-α（HIF1α）不能与ARNT结合，最终导致糖酵解相关基因表达被抑制，乳酸合成受阻。

结果与讨论：

1.       星形胶质细胞中IDO1激活对AD病理的影响

首先，作者利用Aβ42和Tau寡聚体处理小鼠和人类星形胶质细胞，发现Aβ42和Tau可激活IDO1，后导致TRP代谢产生更多的KYN，且IDO1的小分子抑制剂PF068可抑制KYN水平上升（图1 A-E）。免疫共沉淀实验表明星形胶质细胞中IDO1激活可增加KYN产生及下游AhR信号通路的激活；免疫荧光技术直观展示了信号通路激活后，AhR发生入核情况，以及PF068可抑制这一过程（图1 F、G）。通过qRT-PCR技术表明激活和PF068抑制IDO1对星形胶质细胞代谢的影响；从氧消耗速率（OCR）、基础呼吸、细胞外酸化率（ECAR），糖酵解过程等指标分析了对细胞代谢的影响；敲除IDO1在这些参数上进一步验证了IDO1对代谢的影响（图1 H-N）。以上实验结果表明了IDO1激活在AD病理中的潜在作用，可通过PF068抑制IDO1恢复代谢过程。

图1 星形胶质细胞中IDO1可被Aβ42和Tau寡聚体激活，从而抑制细胞自身的糖酵解过程

2.       激活或PF068抑制IDO1对AD模型细胞代谢的影响

研究团队在小鼠星形胶质细胞和APP转基因小鼠海马体中，直接加样刺激或敲除信号通路的一个环节，通过各代谢参数（ECAR、OCR、基础呼吸、糖酵解过程）研究代谢过程的具体影响。结果表明：小鼠星形胶质细胞中，KYN增加，代谢受阻；AhR敲降，代谢恢复（图2 A-F）。在APP转基因小鼠海马体中，PF068可穿越小鼠血脑屏障，剂量依赖性降低KYN，恢复乳酸水平（图2 G-M）。

图2 IDO1抑制调控小鼠星形胶质细胞和APP转基因小鼠海马体的乳酸生成

3.       IDO1抑制剂PF068对AD模型小鼠（Aβ病理驱动）记忆功能的影响

本文中，研究团队基于3种AD小鼠模型开展研究：APP/PS1（Aβ病理驱动）、5XFAD（Aβ病理驱动）和PS19（Tau病理驱动）。首先探索PF068对Aβ病理驱动的AD模型小鼠的影响，通过Barnes迷宫、新物体识别（NOR）任务、长时程增强（LTP），证实了PF608对APP/PS1小鼠记忆的改善增强作用（图3 A-D）。同时，IDO1敲降的AD小鼠，在Morris水迷宫任务中，展现出了更好的记忆行为；且KYN水平降低，乳酸水平上升，这进一步证实了IDO1激活在AD中的作用，并且也证实了敲除IDO1产生的效果和PF068抑制剂相同（图3 E-G）。同理，在5XFAD小鼠模型中，证实了PF068有与在APP/PS1模型小鼠中同样的效果（图3 H-J）。通过免疫荧光技术分析PF068处理后的AD模型小鼠脑内Aβ病理，发现抑制IDO1影响了淀粉样斑块的聚集状态；q-PCR表明PF068对AD小鼠中AhR和HIF1α基因表达的影响，表明PF068处理改善了葡萄糖代谢（图3 K-N）。以上实验结果表明了PF068对Aβ模型小鼠的海马体葡萄糖代谢和认知功能的积极影响。

图3 IDO1抑制可恢复APP转基因小鼠的海马体记忆和长时程增前（LTP）

4.       IDO1抑制剂PF068对AD模型小鼠（Tau病理驱动）记忆功能的影响

接下来，研究人员探索PF068对Tau病理驱动的PS19小鼠的影响。结果显示：与野生型小鼠相比，PS19小鼠海马体中的KYN水平增加、乳酸水平降低、在Barnes迷宫展现出了更好的记忆能力以及海马体LTP得到恢复（图4 A-E），并且磷酸化Tau蛋白的水平降低（图4 G-J）。以上实验结果表明了PF068对Tau模型小鼠的海马体葡萄糖代谢和认知功能的积极影响。

图4 IDO1抑制可恢复突变Tau PS19小鼠的海马体记忆和突触可塑性

5.       通过代谢组学分析PF068对AD模型小鼠海马体代谢的影响

通过非靶向代谢组学分析，研究者们比较了经PF068处理与未处理的3种AD模型小鼠的代谢物变化，发现同时有13种代谢物发生显著改变，且主要与葡萄糖代谢相关（图5 A、B）。通过层级聚类分析，展示了3种AD小鼠中13种代谢物的具体变化，代谢图谱表明PF068处理下，与糖酵解和三羧酸（TCA）循环相关的代谢物水平可恢复至野生型水平；敲除IDO1基因的APP/PS1模型小鼠中也显示出葡萄糖代谢的恢复（图5 C-J）。

图5 IDO1抑制可恢复Aβ42和Tau病理模型的海马体葡萄糖代谢

6.       IDO1抑制剂PF068对AD模型小鼠葡萄糖代谢的具体影响

在3种AD小鼠模型中，研究人员利用同位素标记葡萄糖，并通过LC-MS技术分析了海马体中葡萄糖代谢产物的标记情况，结果表明：PF068处理能够恢复代谢物中的同位素标记，表明葡萄糖代谢得到改善（图6 A、B）。成像技术直观展示PF068可恢复代谢物的荧光强度，表明PF068恢复了葡萄糖向代谢物的转化（图6 C-F）。

图6 在AD模型小鼠的海马体中，IDO1抑制可恢复葡萄糖进入三羧酸循环（TCA）中

7.       IDO1抑制剂PF068通过乳酸依赖性方式增强LTP

研究人员在3种AD模型小鼠脑片中，通过电生理技术证实，PF068可恢复LTP，但这种恢复作用可被乳酸转运抑制剂MCTi阻断（图7 A-C）。通过对同位素标记的代谢物分析，证实PF068处理可恢复了葡萄糖向TCA循环中间产物的代谢，然而当使用MCTi时，恢复作用被阻止（图7 D-F），以上结果表明了乳酸在星形胶质细胞和神经元之间的传递对于恢复LTP的重要性。

图7 IDO1抑制可通过乳酸依赖性方式恢复AD模型小鼠海马体的长时程增强（LTP）

8.       IDO1抑制可恢复晚期AD患者的乳酸转移

通过LC-MS技术，研究人员测量晚期AD病人脑组织中TRP和KYN的水平的变化，结果显示，随Braak阶段的增加，KYN水平上升；与正常个体相比，晚期AD病人星形胶质细胞中KYN水平上升，而PF068作用后，可以使KYN水平恢复（图8 A-C）。用同位素标记的葡萄糖与人类星形胶质细胞和神经元共孵育，发现AD病人星形胶质细胞中葡萄糖代谢减少，但加入PF068后，可以恢复代谢并可以促进乳酸向神经元的摄取和代谢（图8 D-F）。

通过RNA-seq揭示IDO1抑制在晚期AD中的作用机制。结果显示：PF068处理改变了与代谢途径相关的基因表达，KYN代谢途径的下游基因有明显上调（图8 G-I）。GO分析表示PF068处理后影响了与丙酮酸代谢和三羧酸（TCA）循环相关的代谢途径（图8 J-K）。以上实验结果证实了IDO1在调节晚期AD患者星形胶质细胞和神经元代谢中的作用，表明PF068可能通过恢复乳酸的产生和传递来改善晚期AD患者的细胞代谢。

图8 IDO1抑制可恢复晚期AD患者的乳酸从mhAstrocytes向hNeurons转移

结论：

本篇文章揭示了IDO1在AD病理过程中的作用，确定了通过调节星形胶质细胞的IDO1-KYN途径可改善AD模型的认知功能障碍；证明了IDO1抑制剂PF068可作为AD的潜在治疗手段；重点体现了在不同的病理模型中（Aβ或Tau病理）有类似的调节作用，证明了其是跨病理类型的共同代谢缺陷，有望开发AD的通用性疗法。