《TRENDS IN Pharmacological Sciences》:Monitoring neurodegeneration through brain-derived extracellular vesicles in biofluids
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這篇綜述聚焦于腦源性細胞外囊泡(BDEVs)在神經退行性疾。∟D)中的作用。BDEVs 可穿越血腦屏障進入外周生物流體,其攜帶的分子信息能反映大腦狀態,有望用于 ND 的早期診斷、患者分層和病情監測,但目前仍面臨諸多挑戰。
神經退行性疾病與早期診斷的需求
神經退行性疾。∟Ds)是一類慢性、使人衰弱的疾病,會逐漸損害大腦功能,導致不可逆的神經元變性和細胞死亡。世界衛生組織指出,NDs 是全球數百萬人患病和殘疾的主要原因,給公共衛生和醫療系統帶來沉重負擔。像阿爾茨海默。ˋD)、帕金森。≒D)和肌萎縮側索硬化癥(ALS)等常見 NDs,都與蛋白質錯誤折疊和聚集密切相關。
目前可用的藥物只能緩解早期癥狀,雖然單克隆抗體在 AD 治療方面有進展,但 NDs 診斷的主要瓶頸在于確診時間晚,診斷標準難以明確,這不僅延誤治療,還限制了患者參與臨床試驗。因此,除了研發延緩疾病進展的治療方法,以早期診斷、篩查和監測治療效果為核心的策略也至關重要。
近年來,細胞外囊泡(EVs)作為納米級分析物受到越來越多關注。EVs 是一類高度異質的生物脂質納米顆粒,由親代細胞的內體膜向內出芽形成,通過胞吐作用釋放到細胞外空間。EVs 在細胞間傳遞和共享大量分子信息,包括蛋白質、核酸和代謝物等生物活性分子,保護它們不被降解并傳遞到靶細胞,在免疫激活、凝血、廢物清除和組織再生的免疫調節等生理過程中發揮著重要作用。同時,其在包括 NDs 在內的許多病理狀態的發展和傳播中的作用也日益受到重視。
BDEVs:外周液體中大腦狀態的 “鏡子”
BDEVs 參與大腦中神經元和神經膠質細胞(星形膠質細胞、少突膠質細胞和小膠質細胞)之間的復雜相互作用。在生理條件下,BDEVs 有助于維持髓鞘形成、促進突觸可塑性,并為神經元提供營養支持,還參與神經保護和炎癥調節,通過傳遞功能性蛋白質和遺傳信息影響接收細胞的表型和狀態。
幾乎所有類型的腦細胞都會分泌 EVs,其組成會因細胞類型和生理病理狀態而異。因此,BDEVs 含有膜結合和跨膜生物分子等分子標記,可用于追蹤其來源細胞。例如,神經元來源的 BDEVs 含有 N - 甲基 - D - 天冬氨酸受體 2A 型(NMDAR2A)等標記,星形膠質細胞來源的則含有谷氨酸轉運體等標記 。
此外,易聚集蛋白(如 α - 突觸核蛋白(α - syn)、Aβ42和 tau 蛋白)可被包裹在 BDEVs 微環境中。正常情況下,BDEVs 可能是清除有毒蛋白質構象的 “廢物處理” 工具,但這一作用和機制仍存在爭議。近期研究表明,BDEVs 在 ND 病理過程的維持和進展中也有積極作用,它能促進大腦中有毒蛋白質寡聚體和聚集體的傳播,進而導致神經毒性。比如,在 ND 相關炎癥過程中,小膠質細胞會通過高分泌與磷酸化 tau(p - tau)相關的 BDEVs,在腦細胞間傳播有毒 tau 構象。不同類型細胞來源的 BDEVs 中,易聚集蛋白的分布也有所不同,α - syn 和 p - tau 主要存在于神經元和少突膠質細胞來源的 EVs 中,Aβ42則在神經元、星形膠質細胞和小膠質細胞來源的 EVs 中都有發現,而 TAR DNA 結合蛋白 43(TDP - 43)僅在神經元來源的 EVs 中被觀察到 。同時,BDEVs 的脂質組也會因 NDs 發生變化,如在 AD 中,BDEVs 中某些影響蛋白質聚集的脂質(如單唾液酸神經節苷脂 1 和神經酰胺類似物)會增加。
BDEVs 在神經退行性進展和蛋白質聚集機制中的潛在作用
深入了解 BDEVs 在疾病進展中的潛在作用,有助于其作為分析工具的臨床轉化。目前研究顯示,BDEVs 在生理和病理條件下的作用具有兩面性。正常情況下,寡聚蛋白會被溶酶體酶降解,防止異常積累和細胞損傷,EVs 也可作為清除途徑,包裹并清除抗降解的有毒蛋白質構象。但隨著疾病進展,這一機制可能失衡并產生不利影響,促進病理蛋白質在大腦中的傳播 。例如,AD 患者的 BDEVs 會與有毒的寡聚 Aβ 共定位,并將其轉移到神經元之間,對受體細胞產生后續毒性作用。
BDEVs 在 tau 蛋白運輸中也有作用,不過其在 AD 患者 tau 病理中的實際貢獻因 tau 含量低而受到質疑。研究發現,BDEVs 可在小鼠中通過靶向特定中間神經元傳播 tau 病理,且這種作用比生理水平的 tau 寡聚體或原纖維更強。不同 tau 。ㄈ AD、進行性核上性麻痹(PSP)和皮克。≒iD))來源的 BDEVs 中,總 tau 含量雖無顯著差異,但 AD 來源的 EVs 具有更高的播種活性,這表明 tau 在不同 tau 病發病機制中的作用有所不同。
從機制上講,tau 病細胞間傳播的關鍵未解問題是 tau 種子如何從 EVs 中釋放、進入胞質 tau 并誘導 tau 聚集。研究發現,降解細胞器是 EVs 運輸的 tau 片段與細胞內 tau 相互作用的關鍵位點,宿主細胞的酸性區室(如內體、溶酶體和內溶酶體)在 tau 的致病性中起重要作用。在 AD 中,溶酶體介導的內體和 EV 膜通透性改變,可使 tau 種子逃逸到胞質中,與胞質 tau 相互作用促進聚集。
BDEVs 不僅運輸有毒蛋白質構象,還可能影響蛋白質聚集。大多數易聚集蛋白(如 Aβ、α - syn 和 tau)都能與脂質膜相互作用,這種相互作用對蛋白質聚集的影響取決于蛋白質 - 脂質化學計量比和相互作用強度等關鍵參數。不同研究中,BDEVs 對 Aβ42聚集的影響不同,有的加速,有的抑制。對于 α - syn,有研究表明多種來源的 EVs 可加速其聚集。在肌萎縮側索硬化癥(ALS)體外模型中,錯誤折疊的 TDP - 43 在軸突釋放的 BDEVs 中富集,且其存在會增加對受體細胞的毒性。增強 EV 分泌可改善體外和體內額顳葉癡呆(FTD)/ALS 模型的神經病理特征,而抑制 EV 釋放則會加重 ALS 小鼠模型的癥狀,這表明 EVs 可清除細胞內錯誤折疊的 TDP - 43,避免其積累。
結構生物學方法的進展揭示了 BDEVs 中淀粉樣原纖維的位置和結構。例如,研究發現 AD 患者來源的 BDEVs 內腔中存在 tau 淀粉樣原纖維,其長度比神經原纖維纏結中的短,這進一步證實了 BDEVs 在朊病毒樣傳播中的作用。但總體而言,BDEVs 在調節聚集過程和影響 ND 發展中的作用仍有待深入研究。
BDEVs 作為體液中生物標志物的診斷潛力
盡管 BDEVs 在 NDs 中的作用尚未完全闡明,但其診斷潛力已得到探索。BDEVs 能穿越血腦屏障并在周圍液體中循環,作為微創工具監測大腦狀況備受關注。其獨特的分子標記(包括跨膜生物分子和易聚集蛋白)可反映其來源細胞的生理病理狀態,有望成為液體活檢工具,用于監測 NDs 的發生和進展,減輕當前侵入性和昂貴檢測程序的負擔。
目前,NDs 的診斷和隨訪依賴于癥狀評估、神經認知測試和成像技術(正電子發射斷層掃描(PET)和磁共振成像(MRI))的復雜組合。在檢測 BDEVs 攜帶的易聚集蛋白方面,腦脊液(CSF)因靠近大腦常被選為研究 NDs 的生物流體,但檢測特定分析物(如 α - syn 淀粉樣原纖維)時靈敏度不足,且采樣具有侵入性,還可能受到血液污染。因此,人們開始研究其他生物流體。除了研究較多的人類血漿,唾液在檢測 PD 患者 BDEVs 中較高水平的寡聚 α - syn(和 p - S129α - syn / 總 α - syn)方面展現出潛力,尿液也是 ND 診斷的有前景的 EV 來源,其 EVs 與 PD 嚴重程度和認知障礙相關,且與較高水平的 Aβ42和 p - S396 - tau 有關 。不過,唾液和尿液中 BDEVs 的研究還較少。
從體液中分離出特定 BDEVs 亞群后,分析其關鍵物理化學性質(如濃度、大小分布、表面或腔內成分的豐度),可揭示潛在生物標志物(尤其是特定神經元細胞來源的易聚集蛋白)的相對豐度,為疾病進展和患者分層提供潛在信息。
多項研究證明了 BDEVs 中易聚集蛋白在監測 ND 進展方面的潛力。例如,有研究開發了一種基于傳感器的多重免疫分析方法,可直接從人血漿中實時檢測 AD 相關的多種 BDEVs 生物標志物,發現 AD 患者神經元來源的 BDEVs 中神經節苷脂 GM1 和 Aβ 的豐度增加,且 GM1 與 Aβ 的共富集表明 GM1 在淀粉樣蛋白形成中起作用 。還有研究表明,血液血清中與 BDEVs 相關的 Aβ 水平的逐漸增加與 AD 進展相關,血漿 BDEVs 中 Aβ42水平與認知障礙、皮質淀粉樣沉積和內嗅體積減少相關 。此外,在 FTD 或 ALS 患者的血漿 EVs 和 L1 細胞粘附分子(L1CAM)陽性 EVs 中,TDP - 43 和 tau 水平升高,與疾病嚴重程度的臨床和神經心理學指標相關。
BDEVs 還可用于 NDs 的分層和鑒別診斷。例如,通過超分辨率顯微鏡和定量納米級流式細胞術,結合免疫標記,可區分 AD 患者與健康對照以及其他神經退行性疾。ㄈ PD)患者 。在 PD 研究中,一種基于免疫磁還原的檢測方法發現,PD 患者血漿中總 α - syn BDEVs 水平低于對照組,且通過比較不同 EV 亞群中 α - syn 水平,可區分 PD 和多系統萎縮(MSA)。
BDEVs 的分離和表征要求
要充分發揮 BDEVs 的潛力,需要在分離和表征方法上取得重大進展,以滿足臨床常規分析的實際使用標準,包括操作簡便、高通量可擴展性和可持續成本等。EVs 具有多種物理化學性質(分子組成、大小和表面性質),且即使在同一樣本中分布也不均勻,這給從體液中一致地分離 EVs 和進行分析表征帶來了巨大挑戰。
目前既有批量分析方法,也有粒子技術,這些方法可協同解決 EVs 的異質性問題。但要實現臨床轉化,需要在大型樣本隊列中平衡先進的分析性能、可重復性和成本效益的工作流程。
分析體液中的 BDEVs 及其相關易聚集蛋白面臨更多挑戰。BDEVs 在循環 EVs 中占比很小,且只有部分循環 BDEVs 可能反映特定病理狀況。BDEVs 中易聚集蛋白濃度低,其表面和腔內含量的貢獻及意義也不明確,這使得分析更加復雜,因此需要高靈敏度甚至超高靈敏度的分析方法。
現有的生物分析方法(如免疫分析、傳感器技術和顯微鏡技術)在推進 EVs 的分析和表型理解方面取得了進展,但目前缺乏或不完善用于評估檢測 BDEVs 中易聚集蛋白的分析方法性能(如檢測限(LoD)和定量限(LoQ))的標準化框架,這阻礙了對現有技術進行一致的比較,因此該領域需要更統一和廣泛接受的基準協議。目前大多數平臺是針對檢測和定量特定可溶性蛋白質標記優化和驗證的,而非 EV 相關分析物。不過,由于 BDEVs 在神經診斷中的潛在益處,其在該領域的應用日益增多。種子擴增分析(SAAs)可檢測有毒蛋白質物種,在蛋白質病診斷方面取得了重要進展,有望應用于臨床,該方法已在 PD 患者血液樣本的 BDEVs 中檢測到錯誤折疊的 α - syn。
結論與展望
循環在生物流體中的 BDEVs 具有反映其細胞來源的生物分子條形碼,且與易聚集蛋白相關,可能在 NDs 的傳播中發揮作用。因此,分析 BDEVs 的易聚集蛋白和其他相關特性,有助于了解大腦的病理生理過程,為 NDs 的疾病機制、進展、分層和早期診斷提供有價值的信息。
然而,要將 BDEVs 作為外周液體中的 “大腦鏡像生物標志物” 充分發揮潛力,仍面臨諸多挑戰。BDEVs 復雜的物理化學特性是一把雙刃劍,一方面能提供分析神經病理變異性所需的豐富信息,另一方面要充分實現其潛力,需要高效地分離和表征 BDEVs,而這仍是一個有待深入研究的領域。EVs 物理化學性質的高度異質性以及它們與體液中其他成分的相互作用(如形成蛋白質冠)會改變其性質,使分析更加復雜。因此,需要特定的高通量技術來克服這些挑戰,確保準確一致地分離和分析表征 BDEVs,進而了解 BDEVs 如何通過傳播有毒蛋白質物種導致功能障礙。盡管面臨挑戰,但 BDEVs 在改善 NDs 監測和輔助治療干預(包括個性化藥物治療和康復治療)方面的獨特潛力,使其成為未來研究的重要方向。目前仍有許多問題有待解答,例如 BDEVs 在神經退行性病理傳播中的作用及功能在疾病進展過程中是否會發生變化;BDEVs 穿越血腦屏障的機制是什么;易聚集蛋白主要位于 BDEVs 的內腔還是作為蛋白質冠的一部分與外膜相關;BDEVs 從大腦轉移到外周生物流體時,其診斷標記是否會改變,從而影響其作為潛在生物標志物的可靠性;哪種分離和分析技術的組合能夠實現對體液中 BDEVs 亞群的特異性和定量表征等 。