Alzheimer's & Dementia︱陈宇/路中华/叶涛等建立首个阿尔茨海默病基因编辑猕猴模型发现早期病理和免疫分子改变
by 管理员 | 2024-07-15
阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease, AD）是发病率最高、病因复杂的神经退行性疾病之一，目前仍缺乏能有效改变AD发展进程的治疗手段。传统AD相关啮齿类动物模型（如转基因及人源化小鼠模型）极大地加深了我们对AD发病机制的理解，然而，由于小鼠与人类在遗传背景、大脑结构、认知行为和免疫系统方面存在较大差异，啮齿类动物模型并不能完全反映人类阿尔茨海默病的复杂性。非人灵长类动物（如猕猴属食蟹猴）在进化、脑结构和功能方面与人类更为相似，开发AD相关非人灵长类动物模型，有望为揭示灵长类特异的AD疾病发生机制提供新的机遇。
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7月7日，中国科学院深圳先进技术研究院（以下简称“深圳先进院”）脑认知与脑疾病研究所/深港脑科学创新研究院陈宇/路中华/叶涛团队在Alzheimer's & Dementia: The Journal of the Alzheimer's Association期刊在线发表题为“Early blood immune molecular alterations in cynomolgus monkeys with a PSEN1 mutation causing familial Alzheimer’s disease”的研究论文。研究通过基因编辑技术建立首个精准模拟家族性AD基因突变的猕猴模型（PSEN1突变食蟹猴），并在幼年AD突变猴中发现AD相关早期病理蛋白的改变以及外周炎症和免疫信号分子的异常。
PSEN1是常染色体显性阿尔茨海默病（家族性AD，通常65岁之前发病）的最常见致病基因，编码γ-secretase复合体（APP经β-secretase和γ-secretase连续剪切产生Aβ）的催化核心亚基组份。家族性AD PSEN1 exon9缺失突变（PSEN1-ΔE9）携带者通常在45-57岁左右发病。在本研究中，团队首先通过双向导RNA-CRISPR/Cas9介导的胚胎基因编辑，成功获得5只携带家族性AD PSEN1-ΔE9突变的食蟹猴。Exon9编码PSEN1的蛋白剪切位点，exon9的缺失引起突变猴来源细胞中PSEN1蛋白水解剪切的改变，并影响其作为亚基的γ分泌酶的活性（如剪切APP影响Aβ代谢）。为进一步确认PSEN1突变猴能否表现出AD相关早期疾病特征的改变，团队检测了幼年猴脑脊液中AD相关核心生物标志物的变化，结果显示，PSEN1突变猴脑脊液表现出exon9突变剂量依赖性的Aβ42，Aβ42/40比例的升高，以及p-tau217/total tau比例的升高（图1）。该PSEN1突变食蟹猴模型是报道的首个精准模拟AD致病突变的猕猴模型，幼年PSEN1突变猴脑脊液中AD核心生物标志物变化提示该模型在模拟AD早期疾病发生方面具有重要潜力。
图1. PSEN1突变猴脑脊液中AD相关生物标志物的变化
为进一步揭示AD发展进程中的潜在早期分子信号改变，从而为解析早期疾病发生机制、发展早期分子诊断方法提供新的线索，研究团队对幼年食蟹猴进行了血液转录组和血浆蛋白组的检测，结果显示，在幼年AD突变食蟹猴中，其外周血液系统已经开始出现大量炎症和免疫反应相关信号分子的改变(图2)，提示早期外周免疫反应异常可能在AD进程中发挥重要作用。
图2. PSEN1突变猴血液中炎症和免疫相关分子改变
综上所述，本研究通过建立首个精准模拟阿尔茨海默病致病突变的基因编辑食蟹猴模型，在幼年突变猴中发现AD相关早期生物标志物以及大量外周免疫信号分子的异常。该研究为理解灵长类特异的AD早期疾病发生机制、探索和评价早期诊断干预手段提供了新的实验模型和研究途径。
图3. 部分主创成员合影，通讯作者陈宇（左五），路中华（右四），叶涛（左四）；共同第一作者李梦奇（左三），管明峰（左二），林剑邦（左一），朱凯川
深圳先进院陈宇研究员、路中华研究员和叶涛副研究员为该论文的通讯作者，工程师李梦奇、助理研究员管明峰、博士生林剑邦和高级工程师朱凯川为共同一作，深圳先进院为论文唯一通讯单位。感谢国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金粤港澳研究团队项目、深港脑科学创新研究院和深圳先进院脑所非人灵长类实验动物平台对本研究的支持。
专家点评：
贾建平（首都医科大学宣武医院神经疾病高创中心主任、北京脑重大疾病研究院阿尔茨海默病研究所所长，阿尔茨海默病研究专家）
尽管药物和非药物治疗在改善阿尔茨海默病（AD）患者病情方面取得了一定进展，但治疗效果和药物使用情况仍不尽人意。如何提高AD相关基础研究并转化于临床，对于实现AD的“早发现、早诊断和早治疗”具有重要意义。
这项研究成功报道了首个携带家族型AD突变（fAD PSEN1-ΔE9）的基因编辑食蟹猴模型。该研究的一个重要发现是，在幼年AD突变猴中验证到AD发展进程非常早期的两个核心生物标志物的改变——脑脊液Aβ42和磷酸化tau（p-tau）的升高。大量研究证实fAD突变携带者脑脊液Aβ42/40在症状出现前20-30年前高于健康人，随着疾病进展和Aβ在脑内有更多的沉积而形成斑块。值得指出的是，早期脑脊液中Aβ42/40的升高在临床相关研究或检测中很难被捕捉到，主要原因在于缺乏足够年轻的AD突变携带者可供研究，另一方面脑脊液获取需要腰穿，很难为患者接受。而AD无症状阶段对于AD的防治却尤为重要，因为对于AD这样的神经退行性疾病来说，越早的诊断和针对性干预（如抗Aβ治疗）往往会有越好的治疗效果。此外，AD突变猴中的另一核心生物标志物p-tau（如脑脊液p-tau217）以及AD相关免疫分子的改变进一步支持了该食蟹猴模型与人类AD的临床相关性，显示出了非人灵长类动物模型在AD相关转化研究中的优势和潜力。该非人灵长类模型有望成为良好的AD转化研究平台，促进相关诊断和干预手段的研发。
陈晓春（福建医科大学神经科学研究院院长，痴呆与认知障碍领域专家）
阿尔茨海默病（AD）的发病机制十分复杂，至今尚未完全明确，主要机制包括β-淀粉样蛋白级联假说、tau蛋白假说、神经炎症假说和APOE风险因子理论等。单一的小鼠模型很难全面再现人类AD的所有病理特征和临床表型（如传统AD模型小鼠缺乏tau蛋白病理，行为和认知功能损害的症状不典型等），限制了AD发病机制的研究和诊疗技术的发展。
该项研究利用双向导RNA-CRISPR/Cas9介导的片段敲除技术，高效且精确地获得了多个携带家族性AD突变的食蟹猴，并在幼年AD突变猴中发现了AD相关生物标志物Aβ、p-tau以及外周炎症分子的变化。该研究具有以下亮点：（1）传统CRISPR技术构建疾病突变敲入模型的效率往往较低，该研究利用家族性AD PSEN1 exon9缺失突变的特点，通过双向导RNA-CRISPR/Cas9介导的片段敲除，在非人灵长类动物中高效、精准地模拟了家族性AD PSEN1 exon9缺失突变，成功获得了首个AD家族性突变敲入的食蟹猴模型；（2）此AD突变猴表现出AD两大核心生物标志物的早期改变——脑脊液Aβ42和p-tau217的升高，凸显了该动物模型在模拟和解析AD早期疾病发生中的潜力；（3）通过多组学手段，发现在幼年AD突变猴中已开始出现大量外周炎症和免疫信号分子的失调，为早期炎症/系统性炎症参与AD发生的分子机制研究，以及开发血液分子诊断策略提供了新线索。未来进一步对AD突变猴中枢和外周的生物标志物、分子、细胞以及病理和神经功能的动态监测，有望为解析灵长类特异性的AD疾病发生机制和早期诊疗策略提供新的机遇。