基于Aβ42-hIAPP共寡聚体诱导人脑类器官模拟2型糖尿病加剧阿尔茨海默病病理级联反应的研究

《Advanced Science》：Islet Amyloid Polypeptide Modelled to Simulate Diabetes Co-Oligomerized with β-Amyloid 1-42 Reproducing the Pathological Cascade of Alzheimer's Disease in Human Cerebral Organoids

本文构建了Aβ42-hIAPP共寡聚体，通过间歇性微量注射至人iPSC来源的成熟脑类器官（COs），成功再现了晚期阿尔茨海默病（AD）的典型病理特征，包括Aβ斑块、神经原纤维缠结（NFTs）、神经炎症、突触损伤和神经元死亡。该模型揭示了2型糖尿病（T2DM）关键病理因子人胰岛淀粉样多肽（hIAPP）可显著增强Aβ神经毒性，并利用动态代谢组学分析了相关代谢通路变化，为散发性AD（sAD）发病机制研究和药物筛选提供了新平台。

　　

研究背景与目的

阿尔茨海默病（AD）是常见的神经退行性疾病，其发病机制复杂，尤其散发性AD（sAD）缺乏理想模型。2型糖尿病（T2DM）是AD的重要可调控风险因素，临床研究发现AD患者脑内存在T2DM相关病理标志物人胰岛淀粉样多肽（hIAPP）与Aβ共沉积。本研究旨在探讨T2DM是否通过hIAPP与Aβ_1-42相互作用形成共寡聚体，从而增强Aβ神经毒性并加速AD病理进程。

方法

研究通过分子对接和分子动力学模拟验证Aβ₄₂与hIAPP的相互作用，体外合成Aβ₄₂-hIAPP共寡聚体，并利用透射电镜（TEM）和硫黄素T（ThT）荧光分析其形态和聚集动力学。将Aβ₄₂-hIAPP共寡聚体、Aβ寡聚体（AβO）、乱序Aβ（SAβ）及HEPES缓冲液通过立体定向微量注射技术注入培养100天的人iPSC来源成熟脑类器官（COs）中心，模拟慢性暴露条件。注射后继续培养90天，进行组织病理学评估和动态代谢组学分析。

主要发现

1. 1.
   Aβ病理特征：Aβ₄₂-hIAPP共寡聚体诱导的COs呈现直径更大、轮廓更清晰的致密Aβ斑块，类似AD患者脑内的典型老年斑。硫黄素S和刚果红染色进一步证实了不溶性Aβ沉积。Western blot结果显示Aβ₄₂-hIAPP共寡聚体组Aβ蛋白水平高于AβO组。
2. 2.
   Tau病理特征：AT8和T231抗体染色显示，Aβ₄₂-hIAPP共寡聚体组COs中出现多种神经原纤维缠结（NFTs）形态，包括火焰状成熟NFTs和幽灵缠结。pS396阳性NFTs在共寡聚体组中表达显著高于AβO组。Aβ斑块负荷与AT8（Pearson's r= 0.6423）和T231（Pearson's r= 0.6797）平均荧光强度呈正相关。
3. 3.
   神经炎症反应：GFAP染色显示，Aβ₄₂-hIAPP共寡聚体组星形胶质细胞激活更显著，胞体增大、分支更复杂。ASC斑点形成和肿瘤坏死因子-α（TNF-α）水平在共寡聚体组中显著升高。GFAP与ASC平均荧光强度呈强正相关（Pearson's r= 0.7952）。
4. 4.
   突触损伤：共寡聚体组突触素（SYP）和突触后密度蛋白95（PSD95）表达显著降低，与AT8荧光强度呈负相关（SYP: r= -0.8893; PSD95: r= -0.9368）。免疫共定位显示AT8与PSD95共定位，且信号负相关。
5. 5.
   神经元死亡：NeuN染色显示Aβ₄₂-hIAPP共寡聚体组神经元密度显著降低，神经元死亡率为AβO组的3.2倍。磷酸化MLKL（pMLKL）表达升高，提示坏死性凋亡参与神经元死亡。

代谢组学分析

动态代谢组学揭示Aβ₄₂-hIAPP共寡聚体调控多条代谢通路。α-亚麻酸代谢和花生四烯酸代谢通路中磷脂酰胆碱（PC）水平升高。共寡聚体组特有通路包括甘氨酸、丝氨酸和苏氨酸代谢（PS水平降低）、神经活性配体-受体相互作用（溶血磷脂酸LPA水平升高）和咖啡因代谢（核苷酸代谢物水平降低）。外源性PC补充实验证实PC可减轻Aβ₄₂-hIAPP和AβO的细胞毒性。

结论

本研究成功构建了模拟T2DM加剧AD病理的sAD脑类器官模型，证实Aβ₄₂-hIAPP共寡聚体可诱导更严重的AD样病理特征。该模型为研究AD发病机制和药物筛选提供了新平台，并揭示了代谢紊乱在AD病理进展中的重要作用。