集成成像和分子分析技术揭示了APOE4基因与年轻成年小鼠的神经血管及胶质细胞功能障碍之间的关联

《Journal of Neuroinflammation》：Integrated imaging and molecular profiling reveals APOE4-associated neurovascular and glial disruptions in young adult mice

　　

摘要

背景

载脂蛋白E ε4（APOE4）等位基因是晚发性阿尔茨海默病（LOAD）最强的遗传风险因素，可能通过多因素作用机制导致神经退行性病变，其中血管功能障碍、胶质细胞激活和脂质代谢紊乱起着核心作用。神经血管单元（NVU）的异常已成为与APOE4相关的早期表型特征，这一现象独立于淀粉样蛋白和tau蛋白的病理变化。作为大脑中APOE的主要来源以及NVU稳态的关键调节者，星形胶质细胞可能在这些过程中发挥关键作用。本研究利用体内磁共振成像（in vivo MRI）、体外组织学和转录组分析技术，探讨了APOE4相关的NVU水交换动态及星形胶质细胞与血管之间的相互作用。

方法

对6-9个月大的APOE3-KI和APOE4-KI小鼠进行了非对比多模态磁共振成像（包括多回波时间动脉自旋标记技术multi-TE ASL、T1加权成像和扩散加权成像）。multi-TE ASL用于评估NVU的水交换动态，而扩散加权成像则用于检测组织微结构变化。免疫组化技术分析了血管周围基质金属蛋白酶-9（MMP9）的活性、血管相关标志物、星形胶质细胞中的AQP4表达以及胶质细胞的反应性。单核RNA测序（snRNAseq）用于表征不同细胞类型的转录特征，并分析了星形胶质细胞、周细胞及其他NVU成分之间的细胞间通讯。综合分析将MRI结果与分子和细胞层面的发现进行了对比。

结果

APOE4-KI小鼠的NVU水交换动态存在区域特异性改变，尤其是在海马区，同时伴有微结构复杂性的改变趋势。免疫组化结果显示APOE4小鼠的血管周围MMP9表达增加，并存在细胞外基质重塑现象，但血脑屏障（BBB）的标志性结构损伤并不明显。星形胶质细胞表现出AQP4表达升高、促炎基因表达增强以及形态学上的反应性增强。分子生物学结果与MRI结果一致，证明了非对比MRI对NVU早期变化的敏感性。探索性snRNAseq分析发现了一个富集APOE4的星形胶质细胞亚群，该亚群与免疫激活和基质相关通路有关，并提示可能存在需要更大样本量验证的胶质细胞-血管相互作用。

结论

这项综合成像和分子生物学分析表明，非对比多模态MRI能够检测到APOE4相关的NVU水交换动态及胶质细胞-血管相互作用的早期变化。通过提供多尺度神经影像学和细胞层面的综合数据，本研究为开发无创生物标志物奠定了基础，这些生物标志物可用于监测有LOAD风险的个体的神经血管脆弱性并指导早期干预策略。

背景

载脂蛋白E ε4（APOE4）等位基因是晚发性阿尔茨海默病（LOAD）最强的遗传风险因素，可能通过多因素作用机制导致神经退行性病变，其中血管功能障碍、胶质细胞激活和脂质代谢紊乱起着核心作用。神经血管单元（NVU）的异常已成为与APOE4相关的早期表型特征，这一现象独立于淀粉样蛋白和tau蛋白的病理变化。作为大脑中APOE的主要来源以及NVU稳态的关键调节者，星形胶质细胞可能在这些过程中发挥关键作用。本研究利用体内磁共振成像（in vivo MRI）、体外组织学和转录组分析技术，探讨了APOE4相关的NVU水交换动态及星形胶质细胞与血管之间的相互作用。

方法

对6-9个月大的APOE3-KI和APOE4-KI小鼠进行了非对比多模态磁共振成像（包括多回波时间动脉自旋标记技术multi-TE ASL、T1加权成像和扩散加权成像）。multi-TE ASL用于评估NVU的水交换动态，而扩散加权成像用于检测组织微结构变化。免疫组化技术分析了血管周围基质金属蛋白酶-9（MMP9）的活性、血管相关标志物、星形胶质细胞中的AQP4表达以及胶质细胞的反应性。单核RNA测序（snRNAseq）用于表征不同细胞类型的转录特征，并分析了星形胶质细胞、周细胞及其他NVU成分之间的细胞间通讯。综合分析将MRI结果与分子和细胞层面的发现进行了对比。

结果

APOE4-KI小鼠的NVU水交换动态存在区域特异性改变，尤其是在海马区，同时伴有微结构复杂性的改变趋势。免疫组化结果显示APOE4小鼠的血管周围MMP9表达增加，并存在细胞外基质重塑现象，但血脑屏障（BBB）的标志性结构损伤并不明显。星形胶质细胞表现出AQP4表达升高、促炎基因表达增强以及形态学上的反应性增强。分子生物学结果与MRI结果一致，证明了非对比MRI对NVU早期变化的敏感性。探索性snRNAseq分析发现了一个富集APOE4的星形胶质细胞亚群，该亚群与免疫激活和基质相关通路有关，并提示可能存在需要更大样本量验证的胶质细胞-血管相互作用。

结论

这项综合成像和分子生物学分析表明，非对比多模态MRI能够检测到APOE4相关的NVU水交换动态及胶质细胞-血管相互作用的早期变化。通过提供多尺度神经影像学和细胞层面的综合数据，本研究为开发无创生物标志物奠定了基础，这些生物标志物可用于监测有LOAD风险的个体的神经血管脆弱性并指导早期干预策略。