《Brain Sciences》：Pilot Multimodal Imaging Assessment of Neuropathological Iron Deposition and Molecular PET in Frontotemporal Lobar Degeneration
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背景/目的：铁在阿尔茨海默病（AD）和额颞叶变性（FTLD）中的作用一直存在争议。然而，铁对这些疾病中蛋白负荷的影响仍未得到充分阐明。研究人员假设，在FTLD中，深部灰质（GM）区域的铁沉积与tau和β-淀粉样蛋白沉积之间存在关联。方法：研究人员从2名对照受试
背景/目的：铁在阿尔茨海默病（AD）和额颞叶变性（FTLD）中的作用一直存在争议。然而，铁对这些疾病中蛋白负荷的影响仍未得到充分阐明。研究人员假设，在FTLD中，深部灰质（GM）区域的铁沉积与tau和β-淀粉样蛋白沉积之间存在关联。方法：研究人员从2名对照受试者和10名疾病受试者中收集神经病理样本，共12名受试者，其中多个病理亚组仅由1例或2例病例代表。在10名疾病受试者中，1例为低水平AD神经病理（L-AD），1例为高水平AD神经病理（H-AD），其余8例具有FTLD-tau病理，包括进行性核上性麻痹（PSP）、皮质基底节变性（CBD）、球状胶质tau蛋白病（GGT）和皮克病（PiD）。研究人员对基底节（BG）样本进行普鲁士蓝（PB）铁染色、铁蛋白、tau和β-淀粉样蛋白染色。所有12名受试者在死亡前均接受了弥散MRI、淀粉样蛋白-PET（PiB-PET）和tau-PET（flortaucipir）检查。研究人员检测了各受试者BG区域的弥散张量成像平均弥散率（MD），并计算了影像学与组织学之间的斯皮尔曼等级相关系数。结果：在PSP受试者中观察到BG铁含量增加。普鲁士蓝和铁蛋白测量值与较高的tau和β-淀粉样蛋白病理负荷相关。Tau-PET摄取与BG中的铁含量相关。结论：这项探索性研究的结果提示，基底节区域内铁负荷与tau和β-淀粉样蛋白相关指标之间存在关联，这可能有助于解释AD和FTLD-Tau中PET信号增强的原因。研究结果应被视为假设生成性的，需要在更大队列中验证。这些初步发现需要在更大的队列中进行验证。
一、研究背景与目的
铁是维持正常细胞功能的关键元素，广泛存在于神经元和胶质细胞中。正常的铁稳态对于维持脑组织氧合和代谢所需的多种蛋白质结合至关重要。铁代谢失衡与衰老及认知缺陷相关，而铁稳态的破坏则与多种神经精神疾病的发生和进展有关。在正常衰老过程中，脑铁水平升高与萎缩、神经活动紊乱以及运动和认知缺陷相关。既往研究已报道，铁在基底节（BG）区域的积累与空间记忆、厌恶记忆和识别记忆的损害有关，壳核（Pu）和苍白球（GP）中的铁沉积与一般认知功能相关。
在阿尔茨海默病（AD）中，tau蛋白形成细胞内不溶性聚集体，即神经原纤维缠结（NFTs），该过程在许多病例中似乎以tau单体过度磷酸化为前提。既往研究表明，铁可诱导可溶性成对螺旋丝tau的聚集，并通过诱导多种激酶活性来调节tau磷酸化，促进tau过度磷酸化，可能影响蛋白磷酸酶2A活性。铁还被报道通过tau蛋白中公认的铁结合位点直接相互作用，诱导过度磷酸化tau的聚集，促进NFTs在细胞内的形成。最终，β-淀粉样蛋白和过度磷酸化成对螺旋丝tau可导致脑内铁沉积，进而引发多种催化性神经退行性过程。
关于额颞叶变性（FTLD），已有研究报道FTLD-tau中tau沉积与特定基因突变相关的皮质和皮质下区域铁积累之间存在关联。影像-病理学研究发现，FTLD-tau中铁沉积表现为深层皮质中显著的、不规则的低信号，新型含铁胶质病理的独特层状模式，以及深部灰质（GM）和邻近白质（WM）区域中铁阳性阿米巴样和肥大胶质细胞。
本研究旨在结合结构MRI和生化方法（PET），在神经病理学发现的支持下，全面研究FTLD-tau背景下铁与其他分子生物标志物之间的相互作用。据研究人员所知，这是首个在FTLD-tau患者中比较神经病理学铁沉积与生前分子PET的研究。研究人员假设，在FTLD-tau患者的BG中，铁沉积与tau和β-淀粉样蛋白之间存在关联。
二、主要技术方法
本研究纳入了来自梅奥诊所神经病理学数据库的12名受试者，包括2名对照和10名疾病受试者，所有受试者均完成了生前MRI、flortaucipir tau-PET和匹兹堡化合物B β-淀粉样蛋白PET（PiB-PET）检查。神经病理学方面，研究人员对基底节亚区（苍白球内节GPi、苍白球外节GPe和壳核）进行了Gomori普鲁士蓝（PB）铁染色、AT8磷酸化tau免疫组化染色和6F/3D β-淀粉样蛋白免疫组化染色，并使用ImageJ软件进行定量组织学分析。免疫荧光和共聚焦研究使用AT8、4R tau（RD4）和铁蛋白轻链抗体进行双重免疫荧光染色，计算皮尔逊共定位系数（PCC）。影像学方面，所有受试者在3T Prisma扫描仪上接受了标准化MRI协议，包括MPRAGE序列和多壳层弥散MRI序列，使用DSI Studio软件估计弥散张量成像（DTI）模型并计算平均弥散率（MD）。PET成像使用PET/CT扫描仪采集，计算标准化摄取值比（SUVR）。统计分析采用斯皮尔曼等级相关系数评估各指标间的关联。
三、研究结果
3.1 研究人群
研究队列包括12名经神经病理学特征化的病例，涵盖广泛的tau蛋白病和阿尔茨海默相关病理。其中2例在死亡时无认知或运动障碍，作为对照。其余10例中，2例被病理诊断为AD神经病理改变（ADNC），1例为低水平ADNC（L-AD），另1例为高水平ADNC（H-AD）。8例具有FTLD-tau诊断，包括4例进行性核上性麻痹（PSP）、1例皮质基底节变性（CBD）、2例球状胶质tau蛋白病（GGT）和1例皮克病（PiD）。受试者死亡年龄范围为61至103岁，疾病病程在各诊断类别间有相当重叠。
3.2 神经病理学发现
PB铁染色的定量分析显示，两名ADNC受试者在所有三个BG区域均表现出铁负荷增加。与GPe和GPi相比，H-AD病例壳核的铁负荷大于L-AD病例。与对照相比，PSP、PiD和GGT病例在所有三个BG亚区中铁负荷均更高。tau沉积的定量分析显示，H-AD受试者壳核中tau量大于其他11名受试者。PSP、CBD和GGT病例在所有BG区域均观察到高水平的AT8染色。在ADNC病例中观察到PB和AT8染色形态相似，呈圆形铁聚集体。在对照和PiD病例中观察到孤立的神经元聚集体。此外，在染色中观察到具有胶质样细胞形态的铁沉积与AT8阳性病理共存。β-淀粉样蛋白染色显示，从L-AD到H-AD受试者，壳核中染色逐渐增加，其次是GPe和GPi。两名PSP受试者在壳核区域有β-淀粉样蛋白沉积。
3.3 荧光免疫组化发现
双重免疫荧光染色显示，BG区域和疾病组间存在可变的AT8阳性tau病理，对照病例中AT8免疫反应性极低，FTLD-tau蛋白病中tau负荷逐渐增加。所有病例和所有区域均检测到铁蛋白免疫反应性，但其分布和程度因疾病而异。定量分析显示，与对照组织相比，PSP、CBD和GGT中AT8负荷升高，BG区域存在区域特异性差异。疾病病例中铁蛋白阳性面积也趋于增加，特别是在tau病理更明显的区域。AT8-铁蛋白共定位分析显示，对照病例的PCC值最低（0.01-0.03），H-AD病例的PCC值范围为GPi的0.12到壳核的0.29。在原发性tau蛋白病中，PSP病例表现出最强的AT8-铁蛋白共定位，尤其在壳核（PSP-1：PCC=0.55；PSP-4：PCC=0.43）和GPe（PSP-1：PCC=0.43；PSP-4：PCC=0.29）。CBD（0.21-0.28）和GGT-1（0.06-0.32）观察到中等水平的共定位，而PiD显示相对较低的PCC值（0.08-0.22）。在大多数疾病组中，壳核相对于GPi和GPe始终表现出最高程度的AT8-铁蛋白重叠。
3.4 DTI和PET影像学发现
DTI数据显示，与对照相比，FTLD-tau病例在GPe和GPi中表现出最大的MD增加，其中CBD病例在这些区域表现出特别高的值。GGT病例在GPi和壳核中也显示MD增加，而CBD病例在壳核内表现出最显著的MD升高。PET分析显示，L-AD和H-AD病例在GPi、GPe和壳核中始终表现出较高的Tau-PET摄取。一些FTLD-tau病例（包括GGT病例）观察到较高的flortaucipir摄取，但各受试者间差异很大，且与几个非AD tau蛋白病病例中的对照值重叠。CBD、PiD和GGT病例的Tau-PET SUVR与对照值相当。PiB-PET SUVR遵循类似的总体模式，AD病例中示踪剂滞留最高，PiD病例的GPe中增加更明显。
3.5 组织病理学与PET影像相关性
探索性分析发现，在AD组中，铁负荷与tau沉积在合并的BG区域存在相关性，在所有FTLD-tau病例合并时相关性较弱。区域PB染色与AT8 tau病理和β-淀粉样蛋白负荷在AD和FTLD组的基底节亚区均相关。PB与Tau-PET和PiB-PET摄取之间存在适度相关性，在ADNC组中比FTLD-tau组更强。在该小队列中，ADNC病例的区域铁负荷与Tau-PET摄取呈正相关（ρ=0.38，p=0.011）。同样，在FTLD组中，铁负荷与Tau-PET摄取（ρ=0.58，p<0.0001）和PiB-PET摄取（ρ=0.53，p<0.0001）相关。
四、讨论与结论
讨论部分指出，本研究结合定量神经病理学、荧光免疫组化、弥散MRI和分子PET成像，研究了ADNC和FTLD-tau中BG区域铁积累与蛋白聚集之间的关系。多项互补模态的探索性分析揭示了铁负荷与病理蛋白沉积之间的一致关联模式。区域铁积累与tau和β-淀粉样蛋白病理均表现出显著关联，而铁蛋白经常与疾病影响区域中的病理tau聚集体共定位。这些发现与铁稳态改变与神经退行性蛋白病之间的可能关联一致，但本研究并非旨在建立生物学机制或因果关系。
壳核区域始终表现出最高的铁负荷，特别是在高水平AD病例中，而PSP病例表现出更广泛的铁积累，涉及壳核、GPi和GPe亚区。这些发现表明，铁沉积在疾病间和解剖区域间均不均匀，而是遵循可能反映不同致病机制的疾病特异性模式。PSP中观察到的显著铁负荷支持了既往报道，即铁调节紊乱可能是某些FTLD-tau综合征的显著特征。
本研究的优势在于可获得匹配的生前影像和死后神经病理学评估。研究人员观察到ADNC和FTLD-tau组中区域铁负荷与Tau-PET和PiB-PET摄取之间的显著相关性，为体内分子影像可能捕获富含铁BG结构中发生的病理过程方面提供了初步证据。tau-铁蛋白共定位的发现是本研究的新颖方面，表明异常铁储存通常发生在含有病理tau的相同细胞环境中。RD4免疫荧光发现进一步扩展了这一观察，铁蛋白经常与PSP、CBD和GGT病例中的RD4阳性包涵体共定位，提示铁处理改变可能与这些个体病例中的4重复tau病理相关。
研究局限性包括样本量小、队列来自单一三级学术中心、未进行部分容积校正、flortaucipir在非AD tau蛋白病中的敏感性有限、未对多重比较进行正式校正、未使用细胞类型特异性标志物确认细胞身份，以及仅关注BG区域。研究结论指出，这项初步研究提供了铁负荷与FTLD-tau和ADNC中tau相关病理之间关联的初步证据。在胶质样结构中观察到铁积累及其与tau病理的空间关系，与铁稳态改变和神经退行性病理之间的潜在关联一致；然而，这些发现仍是探索性和假设生成性的。此外，对Tau-PET结果的解读应考虑flortaucipir在非AD tau蛋白病中的已知局限性。未来需要使用更大病理特异性队列和纵向多模态影像-病理学方法来验证这些初步发现，并帮助阐明铁积累、tau病理和β-淀粉样蛋白沉积之间的时间关系。
