人类年龄相关认知衰退中的少突胶质细胞功能障碍

《Nature Medicine》：Oligodendrocyte dysfunction in human age-related cognitive decline

　　

衰老过程中的认知衰退影响生活质量，且目前缺乏治疗干预手段。为何一些个体随衰老出现更严重的认知衰退尚不清楚。本研究发现大脑中形成髓鞘的细胞——少突胶质细胞（oligodendrocyte）——在解释这一差异中发挥作用。通过研究与衰老中个体认知衰退速率相关的人类白质神经病理学和转录组学变化，研究人员发现，较差的认知轨迹出乎意料地与更小的有髓轴突尺寸、更厚的髓鞘以及更多NRF2下调的少突胶质细胞相关。老龄少突胶质细胞特异性NRF2基因敲除小鼠随时间表现出减弱的认知改善，并再现了人类衰老认知衰退的白质病理。这些发现将少突胶质细胞定位为认知衰退的贡献因素，并强调NRF2通路是保护人类衰老认知的治疗靶点。

**研究背景与目的**

认知衰退以记忆力、推理能力和处理速度随时间受损为特征，是重大社会经济负担，且随人口老龄化日益普遍，但驱动衰老相关认知衰退的机制仍不明确。在人类青年期和成年期，学习与中枢神经系统（central nervous system, CNS）髓鞘增加相关；在小鼠中，学习需要通过新生生成（de novo generation）增加少突胶质细胞（oligodendrocyte）。尽管老龄小鼠和非人灵长类动物的认知损伤与少突胶质细胞和髓鞘减少相关，但驱动人类认知衰退的白质病理仍不清楚。磁共振成像研究虽将白质异常与老年认知衰退联系起来，但潜在的少突胶质细胞和髓鞘变化未知。本研究旨在鉴定人类年龄相关认知衰退特异性的髓鞘和少突胶质细胞病理。

**研究概述**

研究人员利用Lothian Birth Cohort 1936（LBC1936）队列的脑组织样本，该队列成员11岁时接受IQ测试，70岁起每3年随访认知功能（共866例有70岁后随访数据）。研究结合光谱共聚焦反射（spectral confocal reflectance, SCoRe）显微镜、透射电子显微镜、单核RNA测序（single-nucleus RNA sequencing, snRNA-seq）及免疫荧光染色等方法，发现认知衰退更严重者存在有髓轴突向小直径偏移、大直径轴突髓鞘增厚、退化轴突增多、少突胶质细胞数量增加且NRF2表达下调。经Ingenuity Pathway Analysis（IPA）分析，NRF2被预测为两个少突胶质细胞亚群中唯一共享且下调的上游调控因子。利用少突胶质细胞特异性诱导型条件敲除小鼠（Plp-CreERT;Nfe2l2fl/fl）进行功能验证，发现NRF2缺失足以削弱小鼠随时间推移的认知改善，并再现人类认知衰退的白质病理特征。该研究发表在《Nature Medicine》，将少突胶质细胞确立为认知衰退的贡献因素，并提示NRF2通路是保护人类衰老认知的治疗靶点。

**关键技术与方法**

研究人员采用以下主要技术：基于LBC1936队列（英国苏格兰洛锡安地区，1936年出生，11岁起追踪）的人脑样本，用潜变量增长曲线模型（factor of curves）建模认知轨迹；SCoRe显微镜检测致密髓鞘；透射电子显微镜分析有髓轴突超微结构（轴突直径、g比值、线粒体）；优化荧光激活细胞核分选（fluorescence-activated nuclei sorting, FANS）的snRNA-seq分析14例胼胝体样本（45,437个细胞核）；免疫荧光染色验证Olig2与NRF2表达；IPA上游调控因子分析；少突胶质细胞特异性诱导型条件敲除小鼠的旷场与Morris水迷宫（Morris water maze, MWM）行为学及电镜验证。

**研究结果**

*结果一：人类衰老认知衰退严重程度与有髓轴突谱系偏移和髓鞘增厚相关*

通过SCoRe显微镜发现，严重认知衰退个体的胼胝体致密髓鞘信号显著减少。电镜显示有髓轴突密度及比例无差异，但严重衰退者轴突直径分布向小直径偏移，大直径轴突（>1 μm）的g比值（轴突直径与含髓鞘总直径之比）降低，即髓鞘增厚；同时"空鞘"退化有髓轴突（早期Wallerian变性）密度增加。未观察到轴突球状体或致密轴浆等原发性轴突病变特征，线粒体大小与衰退严重程度无关但与衰老相关，SMI-32轴突病理标记无组间差异。上述变化与死亡年龄、性别、11岁IQ、技术变量及小血管病无关，但与Braak分期（阿尔茨海默病神经原纤维缠结病理分期）呈负相关，提示小直径轴突可能是衰老认知衰退与阿尔茨海默病病理的共享特征。

*结果二：NRF2缺陷的少突胶质细胞在人类严重认知衰退中增多*

snRNA-seq显示认知衰退越严重，少突胶质细胞丰度越高，并经Olig2免疫荧光染色验证。少突胶质细胞被分为7个转录特征不同的亚群，其中Oligo4和Oligo5在轻度和重度衰退间的差异表达基因最多（分别为167和113个基因），且富集于阿尔茨海默病、帕金森病和多发性硬化中少突胶质细胞相关基因。IPA分析预测NRF2为两亚群唯一共享且下调的上游调控因子。免疫染色证实严重衰退者中表达NRF2蛋白的少突胶质细胞比例降低。对少突胶质细胞过量积聚的Olig2-Cre;Tfebfl/fl小鼠模型进行数据挖掘，发现Nfe2l2显著下调，提示少突胶质细胞积聚本身足以导致NRF2基因表达下调。

*结果三：老年小鼠少突胶质细胞NRF2表达降低随时间削弱认知改善并再现人类认知衰退相关神经病理*

Plp-CreERT;Nfe2l2fl/fl条件敲除小鼠于6月龄经他莫昔芬诱导重组，12月龄进行MWM测试。敲除小鼠随时间进入目标象限时间的改善幅度低于对照（对照平均改善57.75%，敲除仅27.82%），且空间搜索策略改善较少。按认知表现分组后，表现较差的小鼠轴突直径和g比值均显著降低，表明小直径轴突和更厚髓鞘是老年小鼠认知表现较差的关联特征。在15–18月龄晚期衰老阶段，敲除小鼠有髓轴突直径和g比值较对照显著降低，而少突胶质细胞密度和髓鞘致密度无变化，表明少突胶质细胞NRF2缺失加剧了衰老相关认知衰退的神经病理特征，与人类严重认知衰退的观察结果一致。

**讨论与结论**

讨论指出，人类轴突传导速度变异的85%由髓鞘厚度和轴突大小决定，因此上述病理可能直接影响认知能力。虽然学习通常与髓鞘生成相关，但衰老相关认知衰退可能涉及超出有益范围的过度髓鞘形成；过量髓鞘增厚已在多发性硬化青年患者、老龄非人灵长类及淀粉样病变小鼠模型中被证实先于神经退行性变。本研究进一步鉴定出大直径有髓轴突（>1 μm）在人类衰老中的选择性易感性。NRF2以细胞类型特异方式调控数百个基因，涵盖自噬、抗氧化反应、增殖和分化等功能；NRF2与自噬的相互作用可能解释髓鞘增厚的机制。既往研究已表明全球NRF2敲除加剧多种小鼠模型的年龄相关认知缺陷，而药物性NRF2激活（如富马酸二甲酯）可改善认知，但贡献细胞类型未明；本研究提示NRF2激活剂可能被重新用于缓解人类衰老认知衰退中的少突胶质细胞功能障碍。少突胶质细胞增多可能发生在NRF2下调上游，炎症和血管病理也可能是上游驱动因素。

结论：总之，本研究揭示少突胶质细胞是衰老过程中认知衰退相关白质神经病理的贡献因素。因此，这项工作凸显了少突胶质细胞及其NRF2表达是支持衰老认知健康的新型治疗靶点。