人脑挫伤组织中致病性可传播tau蛋白诱导小鼠进行性认知衰退与tau病理

《Annals of Neurology》：Human Brain Contusions Contain Pathogenic Transmissible Species that Induce Progressive Cognitive Decline and Tau Pathology in Mice

本文揭示严重创伤性脑损伤（TBI）患者脑挫伤组织在急性期即可产生具有致病性、可传播的tau蛋白构象体（tauTBI）。该研究通过将人TBI脑组织匀浆接种至野生型（WT）小鼠，成功诱导出进行性认知功能障碍、广泛tau病理沉积、海马突触丢失及疾病相关转录组改变，且该病理表型可经二次接种传播，并在tau基因敲除（KO）小鼠中消失，证实其传播依赖于宿主内源性tau蛋白。此发现为理解TBI后慢性神经退行性变及痴呆风险增加提供了重要的朊病毒样机制解释。

　　

Abstract

创伤性脑损伤（TBI）是痴呆症的一个明确风险因素，但其潜在机制尚不完全清楚。本研究旨在探究严重TBI后人类脑中是否会产生类似朊病毒、可自我传播的tau蛋白构象体（tau^TBI）。

Objective

研究团队此前发现，野生型（WT）小鼠遭受单次严重TBI会诱导产生一种朊病毒样的tau蛋白（tau^TBI），其能在脑内传播并导致记忆缺陷。本研究在此基础上，重点探索人类严重TBI后是否也会产生类似的可自我繁殖的tau^TBI构象体。

Methods

研究人员对严重TBI后急性期手术切除的人脑挫伤组织进行了tau蛋白和磷酸化tau（P-tau）水平的生化评估。他们将人TBI脑组织匀浆接种到WT小鼠和tau基因敲除（KO）小鼠脑中，以研究内源性tau在tau^TBI传播中的作用。通过新物体识别测试、放射状臂水迷宫和Y迷宫评估认知功能。通过组织学、生化分析及靶向转录组学分析接种小鼠大脑的病理变化。

Results

研究结果显示，接种人TBI脑组织匀浆可在WT小鼠中引起广泛的tau蛋白沉积、认知功能损害、海马突触丢失以及疾病相关的转录组变化。将首次接种小鼠的脑组织匀浆进行二次接种至新的WT小鼠，可产生相似效应，但在tau KO小鼠中则无此效应，证实了该过程依赖于tau蛋白的机制。

Interpretation

严重TBI在人类损伤后急性期即可诱导产生可传播的tau^TBI构象体，这可能加剧创伤后病理变化，并增加晚年罹患痴呆症的风险。

Subjects/Materials and Methods

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  研究设计： 旨在测试接种人TBI脑匀浆是否会在小鼠中引发可传播的tau^TBI病理。包括对脑匀浆的生化分析、在WT小鼠中的原发性接种研究、在WT与tau KO小鼠中的对比研究，以及二次接种的系列传播实验。
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  伦理声明： 人类脑组织样本的收集储存及动物实验均遵循相关伦理规范和研究指南。
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  人类受试者： 研究使用了三名因严重TBI（入院GCS评分<8）后难治性颅内高压而接受手术的匿名患者的脑挫伤周围组织。一例低级别胶质瘤手术患者的非肿瘤侵袭脑组织用作对照。
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  小鼠： 使用8周龄雄性C57BL/6J WT小鼠和B6.129S4(Cg)-Mapt^tm1(EGFP)Klt/J tau KO小鼠。
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  传播研究： 将脑组织匀浆（10% w/v）双侧接种到小鼠海马体和覆盖的大脑皮层中。
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  行为学测试： 采用新物体识别（NOR）测试、放射状臂水迷宫（RAWM）和两 trial Y迷宫评估认知功能。
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  样本收集与处理： 小鼠经灌注后，取脑组织进行组织学和生化分析。
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  生化与分子分析： 使用蛋白质印迹（Western blot）和斑点印迹（Dot blot）分析tau和P-tau水平；采用免疫组织化学和免疫荧光分析脑组织切片中的病理变化；通过SIMOA检测血浆总tau水平；利用NanoString技术进行靶向转录组学分析。
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  统计分析： 数据以均值±标准误表示，根据数据分布情况采用适当的参数或非参数检验。

Results

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  人严重TBI挫伤组织中总tau和磷酸化tau水平在损伤后早期即升高： 生化分析显示，三名TBI患者（hTBI1, hTBI2, hTBI3）的脑匀浆与对照（hCT）存在差异，其中hTBI1样本的总tau和AT8（Ser202, Thr205）阳性tau水平显著更高。
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  颅内接种hTBI脑匀浆可在WT小鼠中诱导P-tau病理和认知障碍：
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    接种hTBI1匀浆的WT小鼠在接种后4、8、12个月均表现出新物体识别记忆受损。
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    该认知缺陷伴随海马区突触前（VGLUT-1）和突触后（Drebrin）标志物减少，表明突触功能异常。
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    免疫染色显示，hTBI1接种小鼠海马CA1和CA2-3区AT8阳性tau沉积增加，且病理tau沉积广泛存在于海马、丘脑、小脑等多个脑区。
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    接种hTBI2匀浆的WT小鼠在4个月时也表现出认知障碍趋势，而hTBI3接种组影响较小。RAWM测试进一步证实了hTBI2接种小鼠存在空间学习记忆缺陷。
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    hTBI2接种小鼠血浆总tau水平有升高趋势。
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  人tau^TBI的传播和致病需要宿主编码的tau蛋白：
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    将hTBI1匀浆接种到WT和tau KO小鼠，16个月时，仅在WT小鼠中观察到Y迷宫空间工作记忆受损，tau KO小鼠未受影响。
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    WT小鼠接种hTBI1后，血浆tau水平升高，海马区AT8和CP13（Ser202）阳性tau沉积增加。tau KO小鼠中未见tau表达或病理沉积。
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  由hTBI脑匀浆启动的小鼠tau病理可经二次接种传播给WT小鼠：
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    将初次接种hTBI1后12个月的小鼠脑匀浆（i-hTBI1）接种至新WT小鼠，可诱导认知障碍和广泛的AT8阳性tau病理，包括海马齿状回神经元、丘脑颗粒样沉积以及小脑浦肯野细胞相关沉积。
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    生化分析显示i-hTBI1接种小鼠皮层-海马组织中不溶性P-tau水平更高。
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  靶向转录组学提示hTBI接种小鼠存在髓鞘形成、突触结构与可塑性及神经炎症相关改变：
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    NanoString分析发现hTBI1接种小鼠皮层海马组织中，与髓鞘形成、神经递质反应、神经元结构、代谢和神经炎症相关的多个基因表达失调。
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    通路分析显示“活化的小胶质细胞”是最显著上调的通路，“神经递质释放”是最显著下调的通路。
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    免疫染色证实hTBI1接种小鼠海马区存在小胶质细胞增生（Iba1阳性体积增加），并且杆状小胶质细胞（圆形度<0.2，长宽比>3）的比例显著升高。

Discussion

本研究证实，颅内接种部分严重TBI患者的脑挫伤周围组织匀浆，可在WT小鼠中诱导出tau病理、记忆缺陷、突触丢失和小胶质细胞改变。这种病理表型的传播和致病性依赖于宿主内源性tau的表达，并可通过二次接种进行水平传播。这验证并扩展了团队此前在实验性TBI小鼠模型中的发现，表明严重TBI后急性期产生具有毒性、自我繁殖能力的tau构象体（tau^TBI），可能作为慢性神经退行性变和痴呆发生的催化剂。

研究观察到不同TBI患者样本（hTBI1, hTBI2, hTBI3）诱导病理的效力存在差异，可能与损伤后tau负荷、tau构象体类型或患者特异性因素有关。超过特定的病理tau阈值可能是启动tau传播和慢性神经退行的关键。tau截断等形式也可能参与其中。

转录组学和病理学分析揭示了突触功能异常、神经炎症（特别是小胶质细胞活化及杆状形态出现）等在tau^TBI诱导的神经缺陷中的作用。本研究局限性包括样本量小、传播物种的具体分子特征和机制尚未完全阐明、研究仅使用雄性小鼠和男性患者样本。未来研究需明确人TBI后tau^TBI物种的分子特征、动态变化及其与临床结局的关系，并探索靶向tau传播的治疗策略。

Conclusions

本研究数据表明，在一部分TBI患者中，可能产生具有自我繁殖特性的病理性tau物种，当引入易感宿主时，能够驱动可传播的tau蛋白病。这些发现为TBI中的tau病理可能与其他神经退行性疾病共享朊病毒样机制提供了实验证据。需要进一步的研究来定义tau^TBI物种在人类中的分子性质和时间动态，阐明其在疾病进展中的作用，并评估靶向tau传播的治疗策略是否能减轻TBI相关的tau蛋白病。