骨髓间充质干细胞外泌体对阿尔兹海默病的部分治疗作用机制

        阿尔茨海默病（Alzheimer's disease, AD）是一种以认知功能进行性减退为特征的神经退行性疾病，约占所有痴呆症的50-60%。外泌体是一类直径约30~200 nm的细胞外囊泡，携带着mRNA、miRNA和蛋白质等重要遗传信息，可以介导细胞间的信息传递和通讯。骨髓间充质干细胞来源的外泌体（exosomes derived from bone marrow mesenchymal stem cells, BMSC-exos）是可以执行骨髓间充质干细胞功能的细胞外囊泡，近年来BMSC-exos在心、肾等多种疾病的研究中展现出了一定的治疗效果。据报道，间充质干细胞来源的外泌体治疗AD转基因小鼠后，其原代神经元的神经炎症和神经元凋亡得到显著抑制。此外，有研究发现间充质干细胞来源的外泌体鼻内给药可以减轻炎症并预防癫痫持续状态后的异常神经发生和记忆功能障碍。然而，BMSC-exos对AD模型动物的神经炎症和认知能力下降的影响机制尚未被阐明。 为了研究BMSC-exos对AD小鼠认知能力的影响，外泌体试验研究人员体外培养并经流式分选系统纯化了骨髓间充质干细胞，提取了其外泌体，通过侧脑室注射链脲佐菌素的方法建立AD小鼠模型，结合免疫荧光技术观察经PKH-26荧光染料标记的BMSC-exos注入小鼠侧脑室后的分布，结果表明，侧脑室注射给予的BMSC-exos能够随着脑循环弥散至海马部位（图1）。

图1 BMSC-exos注射部位和示踪

       作者通过经典的神经行为学方式观察了BMSC-exos对AD小鼠神经精神行为的影响，结果表明，与模型组比较，侧脑室注射BMSC-exos后AD模型小鼠在新物体识别实验中的新物体偏爱指数显著增加，并且在Y迷宫实验中的新异臂偏爱指数也有上升趋势（图2）。

图2 BMSC-exos对AD小鼠在NOR和Y-maze中行为表现的影响

       神经胶质细胞的异常活化与神经炎症密切相关，作者进一步采用免疫荧光，Western blot以及qPCR技术检测了小鼠海马组织中炎症因子的表达水平以及胶质细胞的活化情况。结果表明，侧脑室注射BMSC-exos能够降低AD小鼠海马组织中炎症因子IL-1β、IL-6和TNF-α蛋白及mRNA的表达水平（图3），并且抑制了小胶质细胞的活化（图4），减轻了神经炎症。
图3BMSC-exos降低了AD小鼠海马组织中IL-1β、IL-6和TNF-α蛋白及mRNA的表达水平（图源：Sen Liu et al., J Neuroinflammation. 2022）

图4 BMSC-exos抑制了AD小鼠海马组织小胶质细胞的活化

       小胶质细胞参与了脑内淀粉样蛋白的清除过程，在炎症状态下小胶质细胞会丧失吞噬功能，并且促进神经炎症，这一过程同时促进了淀粉样蛋白的积聚，并且会间接导致Tau蛋白的异常磷酸化。作者随即对小鼠海马内淡粉样蛋白及磷酸化的Tau蛋白的表达水平进行了定量。结果表明，侧脑室注射BMSC-exos能够减少AD小鼠海马组织中淀粉样蛋白的积聚以及Tau蛋白的异常磷酸化，保护了神经元的结构完整性（图5、图6）。图5 BMSC-exos抑制了AD小鼠海马组织淀粉样蛋白的加工和积聚图6 BMSC-exos降低了AD海马组织Tau蛋白的磷酸化水平

       神经元的结构和功能完整是学习记忆的神经生物学基础，神经元损伤被认为是淀粉样蛋白和Tau以及其他AD发病机制的下游效应。脑源性神经营养因子（brain-derived neurotrophic factor, BDNF）可以为神经元提供营养支持，是突触可塑性的重要调节因子之一，可通过逆转神经元损伤来改善学习和记忆障碍。葛金芳教授团队的前期研究结果表明，海马和前额叶皮层中BDNF丰度改变及与其相关的突触可塑性调节相关蛋白Synaptotagmin-1（Syt-1）、Synapsin-1（Syn-1）和 PSD95 表达降低，与应激、非酒精性脂肪肝、亚临床甲状腺功能减退症及AD等多种模型动物的学习记忆障碍和/或抑郁样行为改变密切相关。作者进一步检测了小鼠海马组织中BDNF、Syt-1和Syn-1的蛋白表达水平，结果表明，AD模型组小鼠Syt-1、Syn-1和BDNF的表达水平均显著降低，而BMSC-exos能够提高AD小鼠海马中BDNF的表达水平（图7），表明BMSC-exos可能通过上调 BDNF的表达和促进神经元再生从而参与海马突触可塑性的调节。图7 BMSC-exos升高了AD小鼠海马组织BDNF的表达水平

图8 BMSC-exos通过促进BDNF的表达来挽救AD小鼠的认知功能减退

综上所述，该团队的研究结果提示，侧脑室给予BMSC-exos可改善链脲佐菌素诱导的AD样神经精神行为异常，其机制涉及调节海马神经炎症、上调BDN表达，从而改善突触可塑性并减少神经炎斑块积聚，降低Tau蛋白的异常磷酸化表达（图8）。