阿尔茨海默病小鼠模型中ipRGCs（IP视网膜神经节细胞）的结构和功能变化时间线

《Neurobiology of Aging》：A Timeline of Structural and Functional Consequences to ipRGCs in a Mouse Model of Alzheimer’s Disease

阿尔茨海默病（AD）早期ipRGCs退化与光回避行为改变相关，为早期诊断提供生物标志物。

　　

作者名单：Brandy S. Recio、William A. Pérez、Ruth Tjondropurnomo、Jenibelle Hsu、Simrah Ahmed、Sachin Parikh、Jake Sun、Sreya Mitra、Rajesh Kumar Goit、Nicholas C. Brecha、Nimesh Patel、Anna Matynia、Luis Pérez de Sevilla Müller

美国加利福尼亚大学洛杉矶分校大卫·格芬医学院神经生物学系

摘要

阿尔茨海默病（AD）是一种进行性神经退行性疾病，会影响认知、感觉和运动系统，包括视觉系统，并对患者的自主能力和生活质量产生显著影响。新证据表明，视觉系统的异常可能有助于早期发现和监测AD，这些异常在认知症状出现之前就已显现。固有光敏性视网膜神经节细胞（ipRGCs或mRGCs）是AD早期受影响的神经元之一。本研究探讨了ipRGCs在衰老过程中的结构和功能变化。通过3xTg-AD小鼠模型的视网膜全景切片进行免疫组化分析，评估了ipRGCs和视网膜神经节细胞（RGCs）的退化情况。同时，还分析了在不同光照条件下（包括瞳孔扩张与否）的光厌恶反应、五种空间频率下的对比敏感度功能以及三种光照水平下的瞳孔光反射（PLR）。ipRGCs的树突变化在4-8个月时开始出现，随后其他类型的RGCs在12-16个月时也开始退化。在6个月和12个月时观察到光厌恶反应的变化，而对比敏感度功能和PLR未见明显改变。研究还发现了性别差异对RGC退化的影响。我们的发现支持这样的假设：ipRGC功能障碍在AD早期就已发生，并先于认知能力下降。这些发现与之前在人类AD患者视网膜中观察到的ipRGC退化现象一致，因此为研究退化机制及识别潜在的行为变化（作为AD的早期生物标志物）提供了有价值的模型。

引言

阿尔茨海默病（AD）是一种进行性神经退行性疾病，会影响认知功能并破坏多个非认知系统（Masters等人，2015年；Tenchov等人，2024年），包括视觉系统（……Group, P. C. A. I. W, 2024年；Koronyo等人，2023年）。AD患者的视觉异常表现为视力下降、对比敏感度降低和视野缩小等症状（Armstrong等人，1996年；Group, P. C. A. I. W, 2024年；Cronin-Golomb等人，1995年；Cronin-Golomb等人，1991年；Kesler等人，2011年；Koronyo等人，2023年；Morrison等人，1991年；Paquet等人，2007年；Shi等人，2020年；Tales等人，2011年）。早在几十年前，临床病理学研究就已观察到这些变化（Bassi和Sadun，1990年；Hinton等人，1986年；Sadun等人，1987年）（例如视神经和RGC的损伤）。这些特征凸显了视网膜和视觉指标在AD早期诊断和病情监测中的潜力（Colligris等人，2018年；Firmani等人，2024年；Gao等人，2024年；Garcia-Bermudez等人，2023年；Grimaldi等人，2018年；Ibrahim等人，2023年；Javaid等人，2016年；Oh等人，2019年；Sharma等人，2023年）。最常见的视觉症状包括空间对比敏感度下降、运动感知障碍、颜色辨别能力受损以及视力丧失，这些症状曾被认为是由初级视觉皮层及其他特定脑区损伤引起的（4-7）。视网膜异常包括血液循环减少和视网膜神经纤维层变薄，这与视网膜神经节细胞（RGCs）的丢失有关（Blanks等人，1989年；Blanks等人，1996年；Blanks等人，1991年；Hinton等人，1986年；Koronyo等人，2023年；La Morgia等人，2016年；Shi等人，2020年）。AD患者还可能出现视野缩小、对视觉遮蔽物的敏感度降低、眼球运动障碍、异常的视网膜电图、瞳孔光反射（PLR）幅度减弱以及昼夜节律紊乱（Cerquera-Jaramillo等人，2018年；Colligris等人，2018年；Cormack等人，2000年；Cronin-Golomb等人，1995年；Cronin-Golomb等人，1995年；Cronin-Golomb等人，2007年；Gaire等人，2024年；Iseri等人，2006年；Javaid等人，2016年；La Morgia等人，2016年；Lakshminarayanan等人，1996年；Oh等人，2019年；Pache等人，2003年；Salobrar-Garcia等人，2020年；Tales等人，2011年；Wang和Holtzman，2020年）。这些症状通常在疾病的中晚期出现。

固有光敏性视网膜神经节细胞（ipRGCs）似乎是视网膜中最早受影响的神经元（La Morgia等人，2016年）。在许多研究中，ipRGCs也被称为mRGCs（La Morgia等人，2016年；Oh等人，2019年），它们是一种对光敏感的视网膜神经节细胞，在控制光厌恶反应（Matynia等人，2016年；Matynia等人，2012年；Matynia等人，2015年）、对比敏感度、PLR以及影响昼夜节律和其他非图像形成视觉功能方面起着关键作用（Do等人，2019年；Guler等人，2008年；Hattar等人，2006年；Ksendzovsky等人，2017年）。在人类尸检样本中观察到的ipRGCs损伤或丢失可能解释了许多与AD相关的视觉功能障碍，如对比敏感度下降、PLR幅度减弱（Sparks等人，2023年）以及褪黑激素水平的昼夜节律变化（Iseri等人，2006年；Group, S. O. F. R, 2011年；Wu和Swaab，2007年）。重要的是，ipRGCs可能是一个早期病理生理学靶点，其功能障碍可能会加剧疾病进展，例如早期出现的昼夜节律变化可能直接加重病理过程（Cronin等人，2017年；Wang和Holtzman，2020年）。已知并非所有ipRGCs都相同，小鼠中至少有6种类型，灵长类动物中有5种类型，它们在形态、光反应以及向大脑区域的投射方式上存在差异（Do等人，2019年；Hattar等人，2006年）。由于只有少数几种ipRGCs被充分研究，因此理解它们在疾病中的作用变得复杂。M1型ipRGC最为常见，由于含有较高水平的黑视素，其树突主要位于视网膜的“OFF”层，主要投射到视交叉上核（SCN）和视前顶核（OPN），分别参与昼夜节律调节和PLR调节。M2型ipRGC在PLR中的作用以及M4型ipRGC在对比敏感度中的作用也已被明确；然而，M3型、M5型和M6型ipRGC的作用仍不清楚（Do等人，2019年）。

鉴于ipRGCs在AD症状出现前的早期就开始退化（Oh等人，2019年），深入了解哪些功能受到影响及其发生的时间进程，有助于改进临床诊断和治疗方案。视网膜结构和功能评估的非侵入性特点为AD的早期诊断和监测提供了显著优势。在野生型小鼠中，M1型ipRGC随着年龄增长仍保持正常的形态和结构，光厌恶反应、对比敏感度和PLR也未受影响（Matynia等人，2024年）。鉴于ipRGCs在AD中的重要性及其在疾病早期阶段的临床应用潜力，我们评估了3xTg-AD小鼠模型中雄性和雌性小鼠随年龄增长时ipRGCs的结构变化，以及相关的光厌恶反应、对比敏感度功能和PLR的变化。

材料与方法

这些研究遵循了加利福尼亚大学洛杉矶分校（UCLA）动物研究委员会的批准方案进行。所有实验均符合美国公共卫生服务局关于实验动物福利的政策以及UCLA动物研究委员会的指导原则。

3xTg-AD小鼠模型中M1型ipRGCs的退化

对AD患者视网膜的尸检研究表明，ipRGCs的突起较薄，直径显著小于对照组；与突触相关的突起结构要么较小，要么完全缺失（Kim等人，2019年；La Morgia等人，2021年；La Morgia等人，2016年）。随着越来越多证据表明ipRGCs在许多光依赖性行为中起关键调节作用，并且在AD中容易发生退化（Cronin等人，2017年；La Morgia等人……）

AD中的ipRGCs退化

寻找早期诊断生物标志物的研究重新聚焦于视网膜，因为视觉障碍是AD患者的常见症状，且在记忆障碍、β-淀粉样蛋白（Aβ）斑块和神经纤维缠结等AD典型症状出现之前就已经显现（Musiek，2017年）。ipRGCs丢失导致视觉系统功能障碍的机制可能是一个多步骤的过程。

资助声明

本研究得到了美国国防部-陆军部-美国陆军医学研究采购活动（W81XWH-22-1-0294，资助LPSM）和美国国立卫生研究院（1R01 EY034715-01，资助NCB；1R01 EY030864-01，资助AM）的资助。此外，本研究还得到了美国退伍军人事务部的职业科学家奖（5IK6BX005230）和 merit review（01BX005926）的支持。本文内容不代表美国退伍军人事务部的官方观点。

未引用参考文献

(Perez de Sevilla Muller等人，2019年)

CRediT作者贡献声明

Luis Pérez de Sevilla Müller：负责写作、审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、验证、项目监督、资源协调、方法设计、研究实施、资金申请、数据分析及概念构思。 Brandy S. Recio：负责方法设计、研究实施、数据分析及验证、项目监督、资源协调。 Anna Matynia：负责写作、审稿与编辑、初稿撰写、数据验证、项目监督、资源协调、方法设计、研究实施及资金申请。

致谢

作者感谢Arlene Hirano博士对手稿的宝贵意见，以及Amirreza Toloei在技术上的支持。

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

作者贡献

LPS提出了研究思路并负责项目监督；LPS和AM共同设计了实验并分析了数据。BSR负责免疫组化实验，重建了M1型ipRGCs的结构；BSR和JS分析了RGC的丢失情况及M1型ipRGCs的树突变化；RT、JH、SA、SP和RKG参与了行为实验；WAP、RT和JH也参与了部分实验工作。