《Discover Neuroscience》：Neuropathological perspectives on neuroinflammation and tau molecular imaging in frontotemporal lobar degeneration
氟罗他匹尔（Flortaucipir, FTP）正电子发射断层显像（PET）被开发用于定量tau蛋白病变（tauopathies）如阿尔茨海默病（Alzheimer's disease, AD）中的tau负荷，并鉴别AD与其他类型痴呆，包括额颞叶变性（frontotemporal lobar degeneration, FTLD）。在FTLD-tau中，FTP于皮层下区域的摄取常被视为脱靶结合。然而，tau聚集与神经炎症及氧化应激相关联。本研究旨在探究FTLD-tau中FTP摄取是否与神经炎症及铁相关氧化标志物存在空间重叠。研究人员分析了来自8例个体的尸检脑组织样本：2例对照、1例中等可能性AD（I-AD）、1例高可能性AD（H-AD），以及4种FTLD-tau亚型：进行性核上性麻痹（progressive supranuclear palsy, PSP）、皮质基底节变性（corticobasal degeneration, CBD）、球形胶质细胞tau病变（globular glial tauopathy, GGT）和Pick病（Pick's disease, PiD）。研究人员进行了荧光FTP类似物（T726）染色及针对神经炎症标志物（胶质纤维酸性蛋白[GFAP]、离子化钙结合衔接分子1[IBA1]、分化簇68[CD68]）和铁蛋白轻链（ferritin light-chain, Ferr）的免疫组织化学染色。样本取自上/中额回（superior/middle frontal gyri, S/M-FG）和基底节（basal ganglia, BG），包括壳核（putamen, Pu）、外侧苍白球（globus pallidus externus, GPe）和内侧苍白球（globus pallidus internus, GPi）。FTP结合通过荧光类似物T726结合共聚焦成像进行评估，并与生前PET扫描进行比较。研究人员观察到皮层和皮层下区域GFAP+星形胶质细胞和小胶质细胞/巨噬细胞的活化增加，且在AD和FTLD-tau病例中检测到tau沉积。不同FTLD-tau亚型呈现出独特的神经炎症模式，尤其以PSP和CBD为著。GFAP+、IBA1、CD68、Ferr与T726信号的空间共定位提示，FTLD-tau中FTP摄取可能反映胶质细胞增生和神经炎症。这些发现表明，神经炎症、胶质细胞增生以及可能的氧化应激可能导致FTLD-tau中FTP信号的升高，为超越tau病理本身的显像剂摄取生物学机制提供了重要见解。
额颞叶变性（frontotemporal lobar degeneration, FTLD）是一种与多种临床变异型相关的病理诊断，其中部分亚型以脑内异常tau蛋白聚集为特征，即FTLD-tau。现有证据表明，神经炎症与神经退行性疾病的疾病进展密切相关，表现为炎症性细胞成分的增多。在阿尔茨海默病（Alzheimer's disease, AD）患者中，驻留小胶质细胞和浸润巨噬细胞的活化水平升高与更快的认知功能下降速率相关。类似地，临床研究显示神经炎症可预测FTLD-tau患者的认知恶化，强化了其在传播神经元损伤及促进患者功能衰退中的潜在作用。
神经退行性tau蛋白病变中，神经炎症是一个涉及多种相互关联分子通路的复杂过程。例如，星形胶质细胞可能通过转化为特定情境下的适应性不良表型而参与选择性易感性的形成，损害特定脑区和功能。此外，小胶质细胞负荷、活化及营养不良模式等细胞过程也与FTLD-tau相关。铁稳态与小胶质细胞/巨噬细胞生物学密切相关，铁在神经炎症中发挥核心作用，显著影响巨噬细胞极化和功能。巨噬细胞表达多种用于铁摄取和利用的分子及蛋白，其中许多受炎症信号调控。铁还是神经炎症氧化应激成分的关键催化剂，而氧化应激是神经退行性过程的主要病理机制之一。大量临床前模型和临床发现支持tau原纤维诱导胶质炎症和神经病理的假说，然而神经炎性细胞在tau蛋白病变中清除错误折叠蛋白的潜在作用仍是FTLD-tau研究领域积极探讨的课题。
尽管越来越多的证据将神经炎症视为神经退行性疾病中神经元功能障碍的关键贡献因素，但关于该过程如何与错误折叠tau蛋白相互作用、或是否干扰分子神经影像检测的方法学，目前了解相对有限。当前临床评估活体tau负荷依赖于正电子发射断层显像（positron emission tomography, PET），使用氟罗他匹尔（Flortaucipir, FTP）等分子探针。FTP主要被开发用于结合配对螺旋丝样tau（paired helical filament tau, PHF），该结构大量分布于神经病理学前缠结和缠结聚集体中，亦存在于FTLD-tau。然而，FTP在FTLD-tau中的应用面临诸多挑战，包括与AD相比总体较低的tau负荷、以及受老化影响的脑区域出现异常高结合，这些重叠使建立特异性诊断谱变得复杂。此外，混合性病理的存在及相关分子机制可能增加FTP在tau聚集存在但非主要致病驱动因素区域的结合可能性。
近期一项针对轻度认知障碍早发性AD患者的神经影像研究，采用转运蛋白（translocator protein, TSPO）PET放射性显像剂，证实了脑炎症与FTP信号之间存在强烈的区域体素水平相关性。在FTLD-tau背景下，针对炎症和tau的双重PET显像研究揭示了PSP患者皮层和皮层下区域tau与神经炎症的正相关性。其他涉及多种FTLD-tau综合征的影像研究也显示神经炎症与蛋白聚集密切相关，且炎症的不同空间模式有助于参与者的准确分类。然而，这些研究普遍缺乏详细的神经病理学评估以验证其发现。为填补这一知识空白，本研究提出一种更直接的策略，即将神经病理学数据与生前PET显像在FTLD-tau典型受累的解剖匹配感兴趣区进行关联。
研究人员的前期研究揭示了不同FTLD-tau亚型之间tau PET摄取的分布差异，这可能有助于区分不同变异型或其他表型相似的病理。此外，利用与FTP结构相同的荧光化合物，研究证实FTP可结合多种tau种类，包括三重复和四重复tau亚型。然而，FTP在FTLD-tau中摄取的生物学基础仍存在争议，可能与神经炎症过程涉及的其他细胞成分相关。研究人员假设细胞性神经炎症可能与FTLD-tau区域FTP信号相关。本研究的主要目标是检验FTLD-tau患者组织病理学样本中细胞炎症和氧化应激生物标志物与FTP类似物之间的局部关联。
研究纳入8例患者，包括2例对照、1例中等可能性AD（I-AD）、1例高可能性AD（H-AD），以及4种FTLD-tau亚型（PSP、CBD、GGT、PiD）。所有患者均接受Mayo Clinic神经退行性疾病研究组的临床研究。每位患者死亡前均由行为神经学家进行临床评估。生前FTP显像采用3D模式PET/CT扫描仪，静脉注射约370 MBq FTP，显像于注射后80分钟开始，持续20分钟采集。采用标准化摄取值比值（standardized uptake value ratio, SUVR）进行半定量分析，并以双侧小脑灰质为参照进行归一化。SUVR图像经两室部分容积效应校正处理，最终配准至Mayo Clinic成人寿命模板（MCALT v1.4），采用FreeSurfer图谱自动分割生成左侧感兴趣区定量测量值，以匹配神经病理学样本位置。
死后脑组织样本经脱蜡、水化及抗原修复后，采用阻断剂处理，分别进行以下免疫荧光染色：抗磷酸化丝氨酸396位点配对螺旋丝样tau单克隆抗体PHF-1（检测磷酸化tau）、抗胶质纤维酸性蛋白（GFAP）多克隆抗体（检测活化星形胶质细胞）、抗离子化钙结合衔接分子1（IBA1）单克隆抗体（活化小胶质细胞/巨噬细胞标志物）、抗分化簇68（CD68）单克隆抗体（小胶质细胞/巨噬细胞及其他单核吞噬细胞标志物），以及抗铁蛋白轻链（Ferr）多克隆抗体（反映铁代谢水平）。二抗采用相应Alexa Fluor 594标记。样本经脂褐质自发荧光淬灭处理后，与100 μM T726化合物（FTP荧光类似物）孵育，最后以含DAPI的封片剂封片。采用共聚焦显微镜进行成像，图像分析使用ImageJ软件。T726荧光以488 nm通道（绿色）捕获，神经炎症及铁标志物以594 nm通道（红色）显示。感兴趣区选择采用基于解剖标志的预标准化采样框架，由对临床诊断和影像结果设盲的操作者完成。
研究结果部分，首先呈现研究对象的人口学特征。AD与FTLD-tau患者从发病到扫描的平均时间均为4.2年，从扫描到死亡的平均时间为3年。
在tau-PET发现方面，上中额回的定量分析显示H-AD患者FTP SUVR超过判定高tau PET结合的1.25阈值，而所有FTLD-tau患者SUVR接近阈值。基底节（BG）分割显示所有患者SUVR均高于1.25阈值。值得注意的是，分区分析显示AD患者壳核（Pu）SUVR值升高；而FTLD-tau亚组（特别是PSP患者）在外侧苍白球（GPe）和内侧苍白球（GPi）区域也出现高于阈值的SUVR值。
在神经炎症活化与T726共定位评估方面，初始组织病理学观察揭示了FTP类似物（T726）与皮层tau标记（pS396）胶质细胞之间的重叠。
皮层灰质S/M-FG区域T726与GFAP的评估显示，I-AD和H-AD患者共定位逐渐增加，所有FTLD-tau患者均有共定位，尤以CBD为著。BG亚区域评估显示所有患者的共定位系数均高于额叶区域。AD患者中壳核（Pu）呈现最高数值共定位，FTLD组内Pu、GPe、GPi之间无差异，但PSP患者在GPe区域较其他FTLD患者共定位增加。
T726与IBA1在S/M-FG区域的共染色显示H-AD患者共定位更高。所有FTLD患者均显示共定位，CBD中最高。BG亚区域中，Pu在AD患者中显示显著共定位；PSP患者GPe/GPi区域T726与IBA1共定位增加，而CBD患者Pu区域共定位更高。
S/M-FG样本中，CD68共定位在H-AD、CBD和PSD患者中更高。两例AD患者在Pu区域共定位值更高。FTLD-tau患者中，PSP患者Pu/GPe/GPi亚区域T726结合升高，CBD患者共定位值集中于Pu区域。
在代表性S/M-FG灰质区域，PSP和CBD患者表现出不同程度的胶质细胞（GFAP）、小胶质细胞（IBA1）及小胶质细胞/巨噬细胞（CD68）表达。这些区域中，CBD患者炎症标志物标记的细胞数量最多，其次为PSD和对照患者；但CBD和PSP中这些炎症细胞体积较小且神经毡分支更多。此外，邻近BG亚区域的皮质脊髓束（cortico-spinal tract, CST）内囊段分析也显示GFAP、IBA1和CD68标志物增加，CBD患者中更为显著，提示该结构内存在深层浸润性炎症参与。
T726类似物与铁蛋白免疫染色的共聚焦成像显示，与IBA1、GFAP和CD68免疫标记相比，FTLD组中铁蛋白共定位更高。S/M-FG区域中，CBD患者共定位高于其他患者。BG区域中，CBD患者共定位在Pu中最显著；而PSP患者主要见于GPe和GPi亚区域。值得注意的是，PiD患者在两个神经病理区域均观察到T726重叠。
总体而言，T726的整体评估表明其可能与神经炎症细胞结合，特别是在含有高氧化应激水平（Ferr）细胞的易损区域，这些可能被FTP检测。
讨论部分，研究人员首先指出本研究发现了与AD和FTLD-tau患者FTP摄取区域对应的皮层和皮层下神经炎症标志物存在，并观察到不同FTLD亚型之间，特别是PSP和CBD患者中存在独特的神经炎症皮层模式。此外，神经炎症标志物与T726的重叠提示了FTLD tau蛋白病变中FTP摄取与神经炎症之间的关联。
研究人员的前期研究已证实T726与磷酸化tau形式（包括皮层和皮层下的3R和4R截短tau亚型）存在重叠，提示这些tau种类可被FTP检测。本研究中，生前FTP显像显示所有BG区域（包括对照患者）信号增加；除CBD患者出现最低摄取外，FTLD-tau患者S/M-FG SUVR值未超过既定阈值。当前研究表明皮层和皮层下亚区域存在活跃的细胞介导神经炎症过程，与胶质细胞中FTP累积局部相关。神经炎症是包括细胞外磷酸化tau碎片累积在内的复杂生物学反应的一部分，这些碎片也可能被FTP配体靶向。
尽管胶质细胞在FTLD-tau中tau病理背景下的作用已在文献中充分确立，但其作为促炎因子的直接或间接作用仍有待充分阐明。前期组织病理学研究报道FTLD-tau中频繁观察到串珠状突起及其他凋亡特征的星形胶质细胞，星形胶质细胞增生和凋亡的严重程度与神经元丢失和疾病阶段相关。本研究展示了CBD和PSP患者小胶质细胞突起的形态学差异：皮层区域CBD患者星形胶质细胞突起活化更明显；而PSP患者皮层下区域改变更显著，这些区域常为tau聚集的目标区域。这一发现可能为基于神经炎症反应强度和范围区分这些FTLD-tau亚型提供可能。
反应性小胶质细胞驱动tau病理并促进病理性tau在脑内的传播。多维分析（结合遗传、生物化学和神经影像生物标志物）正在进行中，以确定神经退行性变是神经炎症的后果还是反之。例如，前期研究提供了反应性小胶质细胞足以以细胞自主方式驱动tau聚集的直接证据。本研究发现支持这一观点，证实皮层和皮层下灰质区域活化小胶质细胞与FTP存在空间关联。
此外，研究人员观察到皮质-皮层下白质束小胶质细胞含量增加。这些观察强调了结合神经影像微结构技术和分子技术评估特征性神经连接功能障碍的重要性，这种整合方法可能为分析和分类不同四重复tau蛋白病变提供有前景的框架。
铁已被广泛表征为与神经退行性病理中神经炎症过程相互关联的氧化过程的关键辅助因子。更具体而言，铁及诱导氧化损伤的可能病理生理途径在tau蛋白病变背景中已有讨论，提示铁与截短tau亚型的潜在相互作用。有趣的是，铁也参与以AD患者脉络丛为中心的神经退行性过程，提示区域铁代谢障碍、铁介导毒性以及炎症和氧化应激增加。另一方面，脉络丛FTP局部累积历来被注意并解释为脱靶结合。
组织病理学上，小胶质细胞/巨噬细胞的高铁含量历来被用于评估其形态学特征。铁蛋白作为急性期反应物，已在多项研究中与促炎激活和衰老相关联。本研究中，研究人员观察到从FTLD-tau典型tau聚集受累区域取样的组织中铁蛋白表达总体更高。这些发现可能提示涉及铁的细胞介导氧化系统的活化增加，这些系统在tau蛋白病变的氧化损伤和金属诱导神经毒性背景中有经典描述。此外，局部铁表达已被确定为tau聚集的辅助因子，可能促进tau磷酸化与铁沉积之间的区域正反馈循环。这一机制可能解释FTLD-tau患者中观察到的区域FTP结合模式，尽管亦不能排除FTP摄取反映铁脱靶结合的可能性。
通过比较连续切片神经炎症标志物的染色模式，研究人员观察到IBA1和铁蛋白之间相似的形态学特征和空间分布。值得注意的是，铁蛋白较IBA1分布更广，可能因其在包括胶质细胞和神经元在内的多种细胞谱系中广泛表达。另一方面，IBA1和铁蛋白特征的一致性也可被解释为交叉验证的一种形式，提示两者（炎症和铁沉积）均为tau病理受累区域的相关过程。然而，GGT患者中也可能存在额外重叠，其中四重复tau与胶质细胞相邻，可能是FTP信号的主要来源。无论如何，本研究在这些区域鉴定出升高的重叠性小胶质细胞/巨噬细胞标志物表达，支持与该tau蛋白病变相关的神经炎症过程存在。
铁如何作为神经炎症性疾病主要或次要触发因素的具体细节仍在研究中。总体而言，本研究证明参与铁代谢的蛋白（如铁蛋白）高度定位于FTLD-tau病理通常存在的区域。一项研究已显示PSP中铁蛋白与异常tau丝共定位，提示铁蛋白可能与PSP中tau聚集体相关。鉴于本研究显示铁蛋白与T726在FTLD-tau受累皮层和皮层下区域共定位，研究人员不能完全排除4R或4R tau相关铁蛋白复合物可能部分贡献于增加的FTP信号。
既往工作支持PSD患者纹状体、苍白球和丘脑萎缩或FTP摄取增加的观点。此外，前期研究也证实FTP区分PSP与帕金森病的能力：PSP患者苍白球和壳核双侧FTP摄取升高较健康对照和帕金森病患者更显著，尤以苍白球结合最有效区分PSP患者与对照和帕金森病患者。与本研究发现一致，研究人员也观察到这些区域FTP信号增加，伴有与细胞炎症标志物的显著重叠。这些发现提示苍白球可能作为区域特异性炎症过程的位点，在区分表型相似的四重复tau蛋白病变方面具有临床效用。
本研究样本量有限，限制了得出广泛结论的能力。然而，入选患者具有代表性，为FTLD-tau病理关键受累区域提供了新的见解。研究人员也承认皮尔逊共定位系数（Pearson's colocalization coefficient, PCC）假设线性关系，可能无法完全捕捉T726与神经炎症标志物之间更复杂或非线性的关系。虽然Manders系数或基于距离的分析等替代方法可提供补充空间信息，但它们主要量化共现或接近性而非信号强度之间的关系。特别是MCC反映重叠信号的比例，对阈值和强度分布敏感，可能使解释复杂化。相比之下，本研究目标是评估区域的基于强度的关联，PCC对此更为适合。
有趣的是，某些区域T726信号似乎呈现核样分布，可能与DAPI染色相似，提示蓝色通道串扰的可能。但这一可能性经适当带通滤波器和跨通道采集设置的仔细评估，不支持技术伪像的解释。另一种可能是T726正在检测部分分布于核内或与核区室相关的tau种类，如某些病理背景下报道。然而，鉴于荧光显微镜的分辨率限制，明显的核共定位应谨慎解释，不一定反映精确的亚细胞定位。无论如何，T726是FTP信号的良好代表，该分子与FTP存在结构差异，因此FTP和T726的不同结合可能反映荧光配体与放射性配体之间的差异。放射性标记和体外石蜡包埋样本之间信号的其他技术差异，以及各成像系统的空间分辨率差异，均需考虑在内。
未来研究旨在纳入更大队列、更多脑区，并探索其他细胞和非细胞神经炎症分子标志物，以更全面理解3R和4R tau聚集与炎症/氧化反应之间的相互作用。总体而言，关于铁蛋白-tau相互作用和细胞类型特异性差异的发现凸显了进一步研究的必要性，特别是澄清T726/FTP反映直接tau结合动力学还是与胶质细胞的间接关联。这与tau蛋白病变中复杂磷酸化tau相关相互作用组的新兴证据一致。未来研究采用多重免疫荧光（如T726与AT8及细胞类型特异性标志物）在更大队列中将有助于厘清这些关系，更好地确定T726/FTP在FTLD-tau变异中的细胞和分子背景。
研究结论部分，研究人员的发现提示神经炎症和氧化应激过程可能部分解释FTLD-tau蛋白病变中皮层和皮层下区域观察到的FTP信号增加。然而，亦不能排除胶质细胞和炎症相关细胞导致tau错误折叠的其他潜在重叠机制。未来利用额外PET模态的研究需要进一步阐明病理性tau种类与神经炎症之间在体相互作用。这些见解可能带来更有效区分不同FTLD tau蛋白病变的方法，改善这些患者的临床管理和治疗。
