阿尔茨海默病不同疾病阶段脑内Tau聚集体成像与转录组学分析

《Advanced Science》：Tau Aggregate Imaging and Transcriptomics of Alzheimer's Disease Brain at Different Stages of Disease

Tau聚集在阿尔茨海默病(AD)的发生与发展中起着关键作用。不同大小和形状的Tau聚集体最终形成纤维状缠结沉积。研究人员采用单分子技术在死后AD患者脑匀浆中，针对中颞回(MTG)与体感皮层(SOM)不同Braak分期的样本表征Tau聚集体。总Tau与磷酸化Tau聚集体在晚期Braak分期中急剧增加。随Braak分期升高，聚集体呈现更广泛的多位点磷酸化，但聚集体尺寸分布变化较温和。配对单核转录组分析表明，随着磷酸化Tau聚集体浓度与长度增加，促炎性小胶质细胞与补体通路激活增强。基于此相关性，研究人员假设存在一疾病进展级联：小胶质细胞炎症诱导邻近神经元Tau聚集，进而进一步加剧炎症并推动Tau病理扩散，导致小分子Tau聚集体浓度升高。

研究背景：阿尔茨海默病(AD)以细胞外淀粉样β(Aβ)斑块和细胞内微管结合蛋白Tau形成的神经原纤维缠结(NFTs)为特征，其中Tau缠结与突触丢失及认知衰退的相关性强于Aβ斑块。既往对终末阶段Tau纤维结构已有cryo-EM解析，但人脑组织中早期小型Tau聚集体因尺寸形状异质、丰度低且缺乏适用表征手段而难以研究，而这些早期聚集体被认为具有细胞毒性。同时，Tau聚集数量随疾病呈指数增长，且神经炎症与补体级联被提示可加剧Tau病理，但各通路如何在人脑中交互驱动Tau聚集仍不清楚。为此，研究人员整合单分子成像、免疫组化与转录组学，在AD不同Braak分期死后脑样本中系统刻画Tau聚集体属性并关联分子通路，论文发表于《Advanced Science》。

主要关键技术方法：研究纳入伦敦神经退行性疾病脑库13例死者（Braak 0–6期）的中颞回(MTG)与体感皮层(SOM)样本，取石蜡切片做免疫组化、新鲜冻存组织制匀浆。单分子层面采用单分子阵列(Simoa)定量聚集体浓度、单分子下拉(SiMPull)结合共定位荧光显微镜分析尺寸/形状/多位点磷酸化、DNA-PAINT超分辨成像解析形貌；转录组层面对同一批样本做批量RNA测序(bulkRNAseq)与富集小胶质/星形细胞后的单核RNA测序(snRNAseq)，并以加权基因共表达网络分析(WGCNA)和中介分析关联聚集体量与基因表达。

研究结果：

2.1 Postmortem Cohort Characteristics Across Alzheimer's Disease Braak Stages：13例供体跨Braak 0–6期，MTG与SOM配对取样，晚期供体年龄偏大，ApoE/性别/尸检延迟组间无显著差异，均无Lewy小体。

2.2 Immunohistochemistry Reveals Amyloid Deposition Preceding a Significant Increase in Tau Pathology：MTG与SOM中Aβ(4G8)面积自Braak 1–2略升并缓增至6期；磷酸化Tau(AT8、PHF1)面积在Braak 5–6较早期显著增大，MTG早于SOM。

2.3 Nanoscopic Tau Aggregates are Present in Healthy Control Brain and Increase Significantly at Later Braak Stages：Simoa显示健康对照脑匀浆已含纳米级Tau聚集体；晚期MTG中Aβ聚集体量变化不显著，而总Tau(HT7)与p-Tau(AT8)聚集体显著增多，SOM不明显；AT8/HT7比值由非AD约20%升至约120%。

2.4 Nanoscopic Tau Aggregates Become Increasingly Multi-phosphorylated With Disease Progression：SiMPull共定位显示同时带AT8与T181位磷酸化的聚集体比例在MTG于Braak 3后由<10%升至30%–70%，SOM至Braak 5才达10%–40%；聚集体荧光亮度（代理磷酸化程度）随分期上升，反映多位点磷酸化增加而非单纯尺寸增大。

2.5 Super-Resolution Imaging Reveals a Heterogeneous Tau Aggregate Population With Late Emergence of Long Fibrillar Species：DNA-PAINT显示各期聚集体尺寸形状异质，早期多为90–100 nm球状；Braak 5–6期MTG平均长增至约120–180 nm，>250 nm且偏心率>0.9的长纤维状聚集体占比仅约7%，SOM变化不显著。

2.6 Emergence of Long Fibrillar Aggregates Implies Increased Contribution From Diseased Subpopulation of Cells Rather Than Altered Growth Kinetics in all Cells：基于几何衰减分布贝叶斯拟合，假设细胞分健康/病理两态，病理态相对清除率下降30%–50%；晚期长纤维增多源于病理神经元贡献比例上升，而非全体细胞生长动力学改变，MTG在Braak 3–4起现病理细胞贡献，SOM滞后。

2.7 Weighted Gene Co-Expression Network Analysis Identifies Pathways Associated With Pathological Tau Aggregate Increase：bulkRNAseq差异基因富集于小胶质迁移、抗原呈递与炎症；WGCNA获M8（关Aβ）与M12（关Tau聚集体）模块，M12富集小胶质标志及补体(C1QA/B/C、C3AR1)、TREM2、MS4A家族，与Simoa测得的HT7/AT8聚集体量正相关，且M12表达晚于Aβ但早于Tau剧增。

2.8 Endo-Lysosomal Dysfunction and Complement Cascade Activation in Microglia Are Associated With Increases in Tau Aggregates：snRNAseq中疾病相关小胶质(Micro2)亚群比例随Braak升高，与Aβ染色及Tau聚集体量正相关；M12基因在Micro2/3中差异表达，含补体、抗原呈递、TREM2信号；独立队列Mic.12中介分析示C3AR1、HLA-DPA1、ITGB2等M12转录本介导Aβ–Tau关系，支持Aβ驱动小胶质补体激活促Tau聚集。

2.9 Neuronal Subpopulations Differ in Transcriptional Response and Vulnerability to Tau Aggregation：snRNAseq见兴奋神经元各亚群响应各异，Exc-L2-3-CUX2中期变化最多且随病理比例下降（易感），Exc-L5-6-NRG1与Inh-LAMP5比例随病理神经元分数上升；MAPT转录水平未随分期升高，伴HSP90AA1、CLU上调及清除/自噬相关通路晚期补偿性上调。

讨论总结：研究人员指出Tau聚集早期即在MTG出现，晚期量增主因病理神经元比例上升与多位点磷酸化增强，形态上长纤维仍为少数；转录数据支持“Aβ沉积→小胶质炎症/补体激活→邻近神经元Tau过度磷酸化与聚集→释放聚集体再促炎”的间接级联，而非单一prion样种子主导传播。未发现MAPT上调，强调转录后及清除失衡的作用。局限包括死后相关非因果、样本量小、SOM滞后机制未明。

结论翻译：研究人员发现AD晚期Tau聚集体的关键变化在于其磷酸化状态与数量，尺寸变化较温和，且这些变化与小胶质炎症增强相关。数据支持一间接机制假说：小胶质炎症诱导若干邻近神经元Tau聚集，进而加剧炎症、推动Tau病理脑内扩散，并在疾病晚期增加小分子Tau聚集体浓度。