Ann Neurol：阿尔茨海默病的病理扩散与激活小胶质细胞的相关性

阿尔茨海默病( Alzheimer disease，AD )通常以β样淀粉多肽( Aβ )斑块和神经原纤维tau缠结为特征，越来越多的证据表明神经炎症在小胶质细胞激活的驱动下也起着关键作用。Aβ和tau病理似乎沿着高度连接的大脑区域的路径传播，但小胶质细胞的激活是否遵循类似的分布模式仍然难以琢磨。最近《ANNALS of Neurology》发表了题为“Microglial Activation and Connectivity in Alzheimer Disease and Aging”的研究文章，评估了这种连接性与小胶质细胞激活模式的相关性。作者从前瞻性的ActiGliA (衰老与阿尔茨海默病中脑网络活性、淀粉样蛋白和小胶质细胞活动)研究中纳入了32个Aβ阳性的早期AD受试者(女性18例,男性14例)和18个Aβ阴性的年龄匹配的健康对照(女10例,男8例)，通过TSPO 配体[ 18F ] GE – 180的小胶质细胞激活正电子发射断层扫描( PET )和磁共振成像( MRI )，来测量其静息状态的功能和结构连接。结果发现，TSPO - PET和标准化摄取值比率的区域间协方差优先沿功能上高度连接的大脑区域分布，而MRI结构连接显示与小胶质细胞激活的联系较弱。与对照组相比，AD患者双侧颞叶前内侧TSPO - PET示踪剂摄取增加，而较高的TSPO - PET摄取量与认知障碍和痴呆严重程度相关，并且其分布方式与疾病分期相关。

背景

细胞外的β类淀粉多肽( Aβ )斑块和细胞内的神经纤维tau缠结是阿尔茨海默病( Alzheimer disease，AD )的病理特征，会导致一系列的大脑变化并引发认知功能下降和痴呆的发生。最近的遗传、分子和临床证据表明神经免疫机制与AD风险相关并促进疾病进展。有症状的AD患者表现出脑脊液( CSF )和血液中促炎和抗炎蛋白的改变（包括髓系细胞上表达的可溶性触发受体2 ( sTREM2 )—活化的小胶质细胞的标志物），通常围绕Aβ斑块作为大脑的主要先天免疫反应。这表明神经炎症和小胶质细胞激活在AD 的发病机制中起关键作用。

在体内，可以使用正电子发射断层扫描(PET)靶向线粒体 18 kDa 易位蛋白(TSPO)的示踪剂测量小胶质细胞的活化（该蛋白位于线粒体外膜上并在激活的免疫细胞上过度表达)。在不同的神经退行性疾病（包括AD、皮质基底节综合征和进行性核上性麻痹）中，TSPO-PET 扫描都显示小胶质细胞活化增加。神经炎症、细胞外Aβ斑块和细胞内tau 神经原纤维似乎密切相关。在小胶质细胞群中，最近发现了两种不同的表达谱分别与Aβ负载或组织磷酸化tau 相关。Tau 和活化的小胶质细胞的共定位已经被证实，并且Aβ斑块依赖性小胶质细胞也被人们鉴定到。此外，在AD小鼠模型中，TSPO - PET结合与Aβ积聚增加相关，并且小胶质细胞活化也可能作为Aβ和tau病理之间的连接。

在AD中的几项研究已经证明功能磁共振成像( fMRI )连接的变化与标志性蛋白质聚集有关。高度连接的枢纽区域在PET 成像上显示tau 积累增加（并且Aβ病理显示会加剧这一表型特点），支持tau 分子跨神经元扩散的模型。越来越多的证据表明，tau缠结在皮层的扩散伴随着小胶质细胞的激活。这两种病理类型似乎都沿着小胶质细胞激活的网络遵循Braak - stage - like的分布模式，这表明Aβ和小胶质细胞共同启动tau在大脑中的扩散。

图1 阿尔兹海默病（AD）和认知正常对照组（CN）之间的Voxelwise分析。散点图显示AD患者和CN之间的线粒体18kDa易位蛋白（TSPO）的标准化摄取比值（SUVR）的个体及平均差异。B图显示AD组内平均SUVR TSPO-PET结合模式的分布情况。

本研究的主要目的是探索连接的脑区是否显示相关的TSPO - PET示踪剂摄取模式（图1、图2），以确定脑神经免疫反应对AD脑结构和功能网络连接的相关性。作者研究中使用的数据，包括TSPO - PET小胶质细胞激活、扩散张量成像( DTI )结构连接和MRI功能连接，从前瞻性的脑网络、淀粉样蛋白和小胶质细胞在衰老和阿尔茨海默病中的活动( Acti Gli A )来解决其假设。作者推测，AD中的小胶质细胞激活沿着连接的大脑区域扩散，类似于观察到的tau病理的空间传播模式。

图2：分析流程概述

（1）预处理后根据Brainnetome（BN）图集对线粒体18 kDa易位蛋白（TSPO）-正电子发射断层扫描（PET）标准化摄取值比（SUVR）图谱进行分割。(2) 接下来，将每个受试者的基于分割的 TSPO-PET SUVR 进行连接、矢量化和 z 转换，消除示踪剂摄取的主体间差异，（3）然后进行区域间配对关联以计算每个诊断组的 TSPO-PET协方差邻接矩阵。(4)为了从结构/功能连接性预测 TSPO-PET 协方差，将TSPO-PET与静止态功能磁共振成像和弥散张量成像磁共振成像得出的平均邻接连接性矩阵矢量化，并进行线性回归分析。(5)计算平均 TSPO向量，（6）并与功能和结构连接矩阵的平均邻接矩阵相关联。(7) 在线性回归分析中检验TSPO-PET 与功能/结构连接性和TSPO SUVR相关向量之间的关联。(8)通过对246 个 BN 区域的平均 TSPO SUVR 摄取向量进行排序来识别 TSPO-PET 热点和冷点区域。(9)通过回归分析所有目标区域的TSPO-PET摄取量与热点和冷点区域在功能/结构连接性中的关系，分析功能/结构连接目标区域的TSPO-PET摄取量与热点/冷点区域的功能/结构连接性。

表1，参与对象的社会人口学、临床和生物标志物特征

结果

    诊断组之间的社会人口学和临床数据的差异见表1。在年龄、性别、体重和受教育年限方面没有差异。与认知正常的对照组相比，AD 患者的认知表现（CERAD-NB 和 MMSE）明显较差（p < 0.001），CDR 的总和（SOB）评分更高。正如预期的那样，AD 患者与对照组相比，显示出更高的病理 CSF 生物标志物浓度（较低的Aβ42和Aβ42/40比率，较高的p-tau181  和  t-tau ） 。与 对 照 组 相 比 AD患者的sTREM2 水平更高，但在针对年龄、性别和教育程度调整的方差分析中，这一数值差异没有达到统计学意义（见表1）。作者分析了 TSPO-PET 摄取量与 CSF sTREM2 浓度之间的关联。AD 患者在上述区域的TSPO-PET 示踪剂摄取量（这些区域被确定为AD 特有的小胶质细胞激活部位）与 CSF sTREM2 之间存在显著的二次方关联（R2 = 0.39，p < 0.02 )；对于整个队列( R2 = 0.05 , p < 0.49)和单独的正常对照( R2 = 0.12 , p < 0.48 ;图3 )没有发现这两个变量之间的联系。

图3，痴呆患者（AD）与CN的TSPO-PET与脑脊液分析结果

患者和对照组在影像学和临床变量上的差异

与Aβ阴性健康对照者相比，Aβ阳性患者组在双侧前内侧颞叶的TSPO - PET示踪剂摄取显示出明显增加( p < 0.001 ;图1A)，这支持了AD中小胶质细胞活化增加的概念。除颞下回/中颞部、(前)楔叶和后扣带回区域TSPO - PET摄取水平升高外，枕部区域平均TSPO - PET摄取量最高。与AD作为一种网络紊乱的观点一致，AD患者与健康对照在全脑水平和默认模式网络内的结构和功能连接均有所下降。为了将小胶质细胞的激活与临床结果联系起来，作者分析了前内侧颞叶的TSPO示踪剂摄取与痴呆严重程度和认知障碍的关系。结果显示前内侧颞叶TSPO - PET SUVR与CDRSOB ( R2 = 0.39 , p < 0.001)、CERAD - NB总分( R2 = 0.20 , p < 0.017)和MMSE评分( R2 = 0.15 , p = 0.049 ;图3)之间存在二次关联，这表明AD阶段性的激活了大脑的免疫系统。

图4，痴呆患者（AD）与CN的TSPO-PET协方差矩阵及功能/结构连接性矩阵

功能性和结构性连接与TSPO - PET之间的关联

作者为了解决其主要假设（即基于连通性的神经炎症分布）评估了在AD患者中相互连接的大脑区域是否显示出不同程度的小胶质细胞激活变化。作者使用对照组和AD患者组生成了246个BN区域获得的功能和结构连接的邻接矩阵(图4B、C)，并使用相同的区域计算了认知正常对照和 AD 患者的TSPO-PET 衍生协方差矩阵（见图 4A）。为了便于比较，图1B显示了AD 组内的平均 TSPO-PET SUVR 结合模式，并在随后的回归分析中评估了功能和结构连接与 TSPO-PET 示踪剂摄取协方差的关联。结果发现AD组 (β  =  0.35,  p  < 0.001) 和 对 照 组 (β  =  0.47,  p  <  0.001)  的更紧密互连的大脑区域显示出更大的TSPO-PET 协方差。对 sTREM2 浓度的分析调整也没有改变结果（图 5A）。在结构连接方面AD 患者(β = 0.06, p < 0.001) 和对照组(β = 0.06;p < 0.001; 见图 5B)显示出与TSPO-PET 协方差有微弱的关系。

图5，痴呆患者（AD）与CN的TSPO-PET功能/结构连接性与小胶质细胞激活的关联

TSPO-PET 示踪剂摄取的网络连接预测

作者进一步探索了特定区域的 TSPO-PET 示踪剂摄取量是否可以预测连接区域中的 TSPO 水平（遵循最近提出的用于功能连接性和 tau PET 之间关联的类似方法）。结果在 AD 组(β = 0.83, p < 0.001) 和健康对照组(β = 0.57，p < 0.001；图6A)发现对于 TSPO-PET 摄取水平较高的种子区域，功能连接与目标区域中较高水平的 TSPO-PET 摄取相关，反之亦然。两组的结构连通性显示出某种较弱的关联（AD：β = 0.36，p < 0.001；对照：β= 0.37，p < 0.001；参见图 6B)。

图6， 连接性与TSPO-PET的摄取量关系

作者还分析了具有高TSPO - PET示踪剂摄取的种子区和具有低TSPO摄取的种子区的功能连接如何与所有目标区域的TSPO - PET摄取相关。目标区域由BN图谱中除热点和冷点以外的所有其他区域确定。热点种子区分析显示，在认知正常对照组( β = 0.79 , p < 0.001)和AD患者( β = 0.74 , p < 0.001)中显示出强烈的正相关。而在冷点种子区分析中，两组(认知正常对照组: β = -0.22 , p < 0.03 ; AD患者: β = -0.25 , p = 0.002 ;图7A)均显示出负相关。而基于结构连通性的分析则没有发现任何显著的正或负关联(见图7B )。

图7， TSPO-PET的摄取量与颞枕部热点和基底节冷点功能/结构连接的关系

小结

除了Aβ和tau沉积外，小胶质细胞的激活越来越被认为是AD的第三个病理特征。作者使用第三代TSPO-PET示踪剂[ 18F ] GE-180，探索了早期AD患者和健康对照者中连接性是否与小胶质细胞激活特点有关。其中的一个关键发现是功能连接在空间上与小胶质细胞激活有关，作者推测小胶质细胞激活沿着高度连接的大脑区域途径传播，类似于tau病理的传播模式。另一个重要发现是与健康对照相比，早期AD患者的小胶质细胞活化增加主要位于颞叶，并且TSPO - PET示踪剂摄取与临床疾病严重程度的相关性随疾病阶段而变化，支持了大脑免疫系统的阶段特异性作用。

原文：

Rauchmann BS, Brendel M, Franzmeier N, Trappmann L, Zaganjori M, Ersoezlue E, Morenas-Rodriguez E, Guersel S, Burow L, Kurz C, Haeckert J, Tatò M, Utecht J, Papazov B, Pogarell O, Janowitz D, Buerger K, Ewers M, Palleis C, Weidinger E, Biechele G, Schuster S, Finze A, Eckenweber F, Rupprecht R, Rominger A, Goldhardt O, Grimmer T, Keeser D, Stoecklein S, Dietrich O, Bartenstein P, Levin J, Höglinger G, Perneczky R. Microglial Activation and Connectivity in Alzheimer Disease and Aging.Ann Neurol . 2022 Nov;92(5):768-781. doi: 10.1002/ana.26465

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