阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease，AD）是导致全球老龄人口痴呆的主要原因。目前对AD病理生理学的理解表明，β淀粉样蛋白（Amyloid beta，Aβ）的聚集是神经变性的病原体，而Tau蛋白病、载脂蛋白E和神经炎症被认为是其他主要致病因素。血管内皮屏障功能障碍与Aβ沉积密切相关，80-90%的AD受试者也出现了脑淀粉样血管病变。近期，中科院生态环境研究中心的宋杨研究员，克莱姆森大学物理与天文学系的丁峰，新加坡国立大学化学与生物分子工程系的David Tai Leong以及粤港澳大湾区纳米创新研究院的PuChun Ke作为共同通讯作者在Nature Communication发表了题为Endothelial leakiness elicited by amyloid protein aggregation的文章，在人类微血管内皮单层和小鼠脑血管中发现了淀粉样蛋白诱导的内皮渗漏（Amyloid protein-induced endothelial leakiness，APEL）。
AD患者与脑淀粉样蛋白血管病（Cerebral amyloid angiopathy，CAA）患者之间的相关性很大（80-90%），这进一步表明内皮完整性在AD发病机制中起着重要作用，Aβ诱导的脑内皮功能障碍和微血管损伤的观察结果也证明了这一点。虽然Aβ来源于淀粉样前体蛋白（Amyloid precursor protein，APP）在内膜上的蛋白水解裂解，但Aβ沉积却遍布中枢神经系统、脑血管、脑脊液和血浆。据报道，Aβ介导的血管活性、血管毛细血管收缩、血流量减少和细胞旁运输与内膜单层、血脑屏障（Blood-brain barrier，BBB）以及活检的人类和啮齿类动物脑组织有关，与活性氧（Reactive oxygen species ROS）的产生、细胞骨架网络的改变、紧密连接蛋白表达的改变以及向周细胞发出的信号有关。
图1 致病性（Aβ、αS、IAPP）和功能性（FapC）淀粉样蛋白聚集体的特征
在这项研究中发现致病性（即amyloid beta （Aβ）和alpha-synuclein（αS））或功能性淀粉样蛋白（即FapC）的寡聚物和“种子”，但不是单体或纤维，在HMVEC中无处不在地引发APEL，这些发现类似于纳米材料诱导的内皮渗漏（Nanomaterials-induced endothelial leakiness，NanoEL），暴露于Aβ低聚物和“种子”的小鼠脑血管在体内也检测到了内皮渗漏。NanoEL是纳米医学中描述阴离子无机纳米粒子在血管中的细胞旁运输，是由某种尺寸（和电荷（阴离子或接近中性）的无机纳米颗粒所带来的生物现象。具体来说，我们的信号通路和透井检测，以及荧光成像，辅以原子Discrete molecular dynamics（DMD）和sDMD模拟，揭示了Aβo和Aβs引入的血管内皮（Vascular endothelial，VE）-钙粘蛋白机制的破坏。相比之下，Aβm、Aβf和所有形式的阳离子islet amyloid polypeptide（IAPP）并不能导致APEL。从现象上看，APEL更类似于纳米材料诱导的NanoEL，尺寸小于100 nm的阴离子无机纳米粒子通过破坏VE黏附因子连接，打开了内皮细胞旁通道。蛋白质和肽是生物大分子，在来源、结构和功能上与无机纳米粒子有很大不同，而且蛋白质和肽段的密度明显低于为具有NanoEL能力的无机纳米粒子确定的密度阈值。
通过信号通路测定和sDMD模拟发现APEL是阴离子蛋白纳米粒子与VE粘连蛋白及其相关粘连接头机制相互作用产生的。体外数据显示，APEL源于非ROS和非凋亡事件，在这些事件中，Aβ寡聚体和种子与VE-粘连蛋白发生直接的细胞外相互作用，从而触发分子途径，形成细胞间隙。通过sDMD模拟，发现低聚物显著降低了粘连蛋白二聚体的稳定性，淀粉样“种子”也随之降低，而柔性淀粉样单体并不影响粘连蛋白的完整性。这些结果集中反映了一个普遍现象，即蛋白质和肽的阴离子纳米粒子通过分子自组装和碎裂，可以在ROS、炎症、细胞毒性和脑血流收缩发生之前重塑血管内皮。无论如何，APEL的研究结果具有丰富的意义，从淀粉样蛋白的全身扩散到它们的交叉播种，血脑屏障易位和清除，这些都是AD和帕金森病（Parkinson’s disease，PD）有争议的发病机制的基础。
图2 Aβ诱导的体内血管渗漏综上所述，本研究提出了一种范例，用于阐明淀粉样蛋白的血管渗透、全身扩散和交叉播散。使用信号通路检测和离散分子动力学，发现血管病变首先源于暴露于Aβ低聚物和“种子”纳米颗粒的VE-钙粘蛋白连接处的破坏，比早先涉及的促炎症和促氧化应激因素对内皮渗漏的影响更早。APEL的发现对从淀粉样蛋白的系统性传播到它们的交叉播散、BBB 转位和清除，以及AD和PD病因的基础具有十分重要的意义。
参考文献
Li, Y., Ni, N., Lee, M. et al. Endothelial leakiness elicited by amyloid protein aggregation. Nat Commun 15, 613 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-44814-1
编译作者: 张建国 (Brainnews创作团队)
校审: 胖兔子可可 (Brainnews编辑部)
