《Nature Communications》：Spatiotemporal characterization of Alzheimer disease pathology in living human brain tissue
编辑推荐：
阿尔茨海默病（Alzheimer disease，AD）在症状出现前多年即始于脑内，但早期改变通常于死后研究，或通过体液与影像生物标志物间接评估。研究人员显示，脑室腹腔分流（ventriculoperitoneal shunt，VPS）手术中收集的小块脑活检可
阿尔茨海默病（Alzheimer disease，AD）在症状出现前多年即始于脑内，但早期改变通常于死后研究，或通过体液与影像生物标志物间接评估。研究人员显示，脑室腹腔分流（ventriculoperitoneal shunt，VPS）手术中收集的小块脑活检可用于在体研究AD病理与蛋白质周转。研究人员分析了18例疑似正常压力脑积水（normal pressure hydrocephalus，NPH）个体的活检，以及配对的脑室与腰穿脑脊液（cerebrospinal fluid，CSF）、死后对照脑组织。18例活检中9例存在淀粉样斑块，而成熟tau缠结罕见。基质辅助激光解吸电离质谱（matrix-assisted laser desorption/ionization mass spectrometry imaging，MALDI-MSI）绘制了组织内淀粉样斑块化学特征。磷酸化tau217（phosphorylated tau 217，pTau217）在斑块周围富集，支持淀粉样蛋白与tau病理的局部关系。稳定同位素标记（stable isotope labelling）追踪新合成蛋白，检测到约3小时内快速tau标记，并估计脑tau半衰期约34天。淀粉样斑块几乎检测不到周转。
研究背景方面，阿尔茨海默病（AD）以β-淀粉样蛋白（Amyloid-β，Aβ）斑块与过度磷酸化tau蛋白细胞内沉积为核心病理，传统认知主要依赖死后脑组织、脑脊液（CSF）与血浆生物标志物及正电子发射断层扫描（Positron Emission Tomography，PET）影像。现有体系难以在症状前早期阶段对人脑组织进行空间与时间维度的生化表征，活体人脑可及性低，体液与影像标志物无法揭示斑块与缠结形成、演化及Aβ与tau互作的在体机制。因此，研究人员利用神经外科术中可获取脑组织的机会，结合稳定同位素标记动力学（Stable Isotope Labelling Kinetics，SILK），在疾病早期连续谱中直接刻画人脑Aβ与tau物种、合成时机、空间定位、翻译后修饰（post-translational modifications，PTMs）及病理互作。
该研究发表于《Nature Communications》。研究人员纳入18例因疑似正常压力脑积水（NPH）接受VPS手术者，采集顶枕叶脑活检；另设死后AD、皮质基底节变性（corticobasal degeneration，CBD）、健康对照及无症状淀粉样阳性对照脑组织；配对收集脑室CSF、腰椎CSF。经稳定同位素标记氨基酸输注后，联合免疫荧光、发光共轭寡噻吩（luminescent conjugated oligothiophene，LCO）染色、免疫沉淀-质谱（immunoprecipitation-mass spectrometry，IP-MS）、MALDI-MSI与SILK，得出以下结论：早期AD谱系中Aβ斑块先于成熟tau缠结出现，pTau217围绕斑块局部富集；脑tau约3小时即被新合成标记，脑tau半衰期约34天；Aβ斑块为低周转稳定结构；脑室CSF tau谱接近脑组织，但受手术释放影响，不能作为生理分泌直接替代；Aβ????异构化可用于斑块“年龄”生化分期。
关键技术方法上，研究人员使用疑似NPH接受VPS者的活体脑活检队列、死后对照脑队列及配对脑室/腰椎CSF；以SILK静脉输注标记氨基酸追踪蛋白合成与清除；以IP-MS定量可溶性tau与Aβ亚型及磷酸化位点；以MALDI-MSI在微米尺度定位斑块内Aβ物种；以LCO显微镜区分斑块构象成熟度；以Aβ Asp1与Asp?异构化比例评估斑块老化程度。
研究结果部分，Early brain amyloid and tau deposition can be chemically characterised in parieto-occipital cortex：研究人员通过免疫荧光与LCO染色评估NPH活检，发现18例中9例有Aβ斑块，以核化斑块为主，弥漫性斑与神经炎性斑可见；pTau217主要位于神经毡丝与斑块相关神经突，成熟神经原纤维缠结少。定量显示斑块内pTau217信号高于周边10、20、30 μm区域。IP-MS显示不溶性Aβ中以Aβ42与Aβ16-27最丰富；Aβ????非天然异构体在死后AD与高斑块NPH样本中比例更高。脑可溶性tau谱与死后脑相似，但N端25-44、45-67肽段较低，C端260-267、275-280、354-369较高；脑室CSF tau谱近似脑，腰椎CSF C端偏低；4R:3R比值大于2。
Brain tau is rapidly isotopically labelled in the human brain but has a half-life of around 5 weeks：研究人员在SILK标记个体脑活检中检测到leucine掺入tau，最早约3小时17分；212-221肽段模型估计脑tau半衰期33.6天，接近腰椎CSF中tau周转。斑块阳性样本tau标记率高于斑块阴性样本，tau标记与斑块负荷呈正相关趋势但未达多重校正显著。
Tau in ventricular CSF is a surrogate for brain tau：研究人员发现脑室CSF总tau与中域TPPS（181-190）绝对量高于腰椎CSF；脑室CSF在数小时内出现新合成tau标记，幅度约为脑的1/3，而腰椎CSF无显著标记。结果表明脑室CSF tau谱近似脑，但可能来自手术通道导致的脑源蛋白释放，不宜视为生理神经元分泌。
Ex vivo amyloid plaques are stable structures with low turnover rates：研究人员以IP-MS未检出Aβ的13C-leucine富集，华盛顿大学平台对Aβ1-42检测限为1.87% TTR；Aβ???? Asp1/Asp?异构化在死后AD约90%，高斑块NPH受试者低于40%原生型，说明活体斑块未达死后AD成熟度。MALDI-MSI显示单个斑块内Aβ1-42、Aβ1-40、Aβ3pE-42、Aβ4-42、Aβ11pE-42空间分布不均，Aβ1-40与pyroglutamate-Aβ偏核心，Aβx-42较均匀分布于核心与未成熟周边。
讨论部分总结：研究人员指出，活体脑活检与SILK可在AD早期连续谱中直接证明Aβ与tau空间关联，脑室CSF虽近似脑tau谱但受手术污染；Aβ斑块核心含Aβ1-40与焦谷氨酸化Aβ，Aβx-42分布更广，该化学架构支持donanemab靶向N端截短焦谷氨酸化Aβ的作用基础。Aβ异构化可作“斑块年龄”指标，50%异构化约对应8个月、85%约4年，为按病理成熟度分层与精准干预提供依据。活体脑tau半衰期约34天，比腰椎CSF略慢；4R:3R新合成比小于1，提示4R tau翻译或清除异于3R tau。研究局限包括样本量小、SILK时间点稀疏、脑室CSF非生理采集。
结论翻译：在该研究中，研究人员检查了具有神经退行病理的活体个体脑组织和在体标记病理相关蛋白；捕获并表征极早期脑Aβ与tau病理，提供pTau217与斑块沉积空间关联的在体证据；显示VPS术中的脑室CSF tau谱近似脑而非腰椎CSF，可能作为脑活检替代；通过PTM定量与IP-MS、MALDI成像测新肽掺入，证明tau在脑内快速翻译、约34天周转，Aβ斑块低周转且可用Asp1/Asp?异构化程度“定年”。这些结果推进了AD在体时空病理认识，并为依病理阶段定制治疗与临床试验采样设计提供依据。
