Neuron丨日本科学家揭示α-突触核蛋白成像在帕金森病中的应用

2024年6月5日，日本国立量子科学技术研究所Makoto Higuchi团队在Neuron发表“Imaging α-synuclein pathologies in animal models and patients with Parkinson’s and related diseases”，揭示了动物模型和帕金森病及相关疾病患者的α-突触核蛋白病理成像。

α-突触核蛋白（α-synuclein, α-syn）聚集形成纤维状结构，进而形成路易小体（Lewy bodies, LBs）。LBs是帕金森病（Parkinson’s disease, PD）、多系统萎缩（multiple system atrophy, MSA）和路易小体痴呆（dementia with Lewy bodies, DLB）等神经退行性疾病的典型细胞病变特征，也是发病的一个关键环节。而在这些疾病中，尚不能在体内检测α-突触核蛋白的病理。作者开发了一种小分子配体，C05-05，用于可视化活体大脑中的α-突触核蛋白沉积。小鼠和狨猴模型的体内光学和正电子发射断层扫描（PET）成像显示，C05-05捕获了纤维发生沿神经通路的动态传播。体外实验证实18F-C05-05与人脑组织中的α-突触核蛋白聚集物的高亲和力结合。与健康对照组相比，PD和DLB患者的中脑中PET可检测到的18F-C05-05信号增强，这首次证明了这些疾病中α-突触核蛋白病理的可视化。总的来说，作者提出了一种新的成像技术，提供基于神经病理学的帕金森病和相关疾病的转化评估，用于诊断和治疗的研究和开发。

图一 C05化合物与α-突触核蛋白病理的体外结合

作者通过荧光染色筛选PBB3衍生物，鉴定了C05系列化合物，它们在主干结构中具有一个(E)-hex-hen-2-4-yne linker，作为α-突触核蛋白显像剂的候选物。背景校正后的荧光强度表明，C05-01、C05-03和C05-05与α-突触核蛋白病理结合的信号明显高于Aβ和tau蛋白，表明C05系列化合物对α-突触核蛋白与Aβ和tau蛋白聚集物的选择性增强。为了评估C05系列化合物在体内对单个α突触核蛋白包涵物的检测能力，通过将重组小鼠α-突触核蛋白原纤维接种到野生型小鼠的脑实质中而诱导增殖性α-突触核蛋白原纤维形成的小鼠模型。在a-Syn小鼠中，在将a-突触核蛋白原纤维单侧接种到纹状体2周后，磷酸化的内源性a-突触核蛋白分子聚集体在广泛的大脑区域（包括纹状体、皮质、杏仁核和黑质）两侧出现。脑切片荧光化合物和pS129的双染色表明，C05-01、C05-03和 C05-05标记了pS129阳性磷酸化α-突触核蛋白内含物，类似于α-Syn小鼠新皮质中的路易体和路易神经突，而PBB3和BF-227与这些沉积物适度结合。作者选择C05-01 和C05-05进行以下特性分析，考虑到它们适合进行18F放射性标记以实现更广泛的应用。

图二 C05-05能够实现α-Syn小鼠模型大脑中单个α-触核蛋白内含物的体内光学可视化

为了评估C05-01和C05-05与PBB3在神经元内α-突触核蛋白内含物的体内标记的时间过程，通过颅窗对α-Syn小鼠的体感觉皮层进行了活体双光子成像。在单个动物的同一视野内检测C05-05、C05-01和PBB3信号，腹腔给药后C05-05迅速进入大脑，在5 min内达到α-突触核蛋白内含物，结合持续90 min。与C05-05不同，腹腔注射C05-01和PBB3后，神经元的荧光信号没有明显增加。通过活体双光子显微镜对α-Syn小鼠脑切片检测进一步证明了腹腔注射C05-05与该小鼠体感觉皮层中大量存在的α-突触核蛋白内含物的结合。体内和体外的数据共同证明了C05-05在小鼠模型中对α-突触核蛋白内含物的高对比度光学可视化能力。C05-05标记的神经突触核蛋白在接种后第4周在接种半球的躯体感觉皮层大量出现，第6周时减少。此外，在接种8周和12周后，分别观察到C05-05标记的体细胞α-突触核蛋白内含物的形成和生长。此外，时间过程分析表明神经和躯体α-突触核蛋白内含物在2周内消失。以上研究结果表明，C05-05作为一种光学探针，可以在单细胞水平上动态追踪α-突触核蛋白的发病机制。

图三 用18F-C05-05进行纵向体内PET成像

作者接下来采用一种非人类灵长类动物模型来传播α-突触核蛋白病理，方法是将重组狨猴α-突触核蛋白原纤维接种到脑实质中。α-突触核蛋白原纤维的接种1个月后，其在包含注射部位的尾状核亚部分中表现出18F-C05-05的保留增强，并在3个月后广泛扩散到同侧半球的尾状核、壳核和黑质中，在较小程度上扩散到对侧左半球。还用一种特定的放射性配体11C-PE2I对多巴胺转运体进行了PET成像，有助于检测PD及其模型中多巴胺能神经元的退化。11C-PE2I结合电位（BPND）的参数图像显示，与对侧半球相比，接种半球尾状核、壳核和黑质中多巴胺转运体减少，这与18F-C05-05-05保留的分布和病理α-突触核蛋白沉积一致。在接种4个月后对该动物的脑进行取样，对脑切片的免疫组化分析显示ps129染色的α-突触核蛋白包涵体的分布与3个月时18F-C05-05的体内PET结果一致。C05-05和pS129双染色证实，在接种半球的尾状核、壳核和黑质中，与PD和DLB病理相似。结果表明18F-C05-05-PET中放射性配体的保留增加源于其在体内与α-突触核蛋白包涵体的相互作用。作者还发现同侧黑质神经元中酪氨酸羟化酶免疫反应性明显丧失。这些体内数据首次通过PET展示了活体动物模型中病理性α-突触核蛋白沉积物在空间扩展的纤维形成过程中的时间过程成像，同时还伴随着作为传播途径的神经回路的退化。

综上所述，本研究提供了一种强有力的成像工具，用于在动物模型基础研究中探究神经退行性α-突触核蛋白病的分子和细胞机制，并且该技术可转化为PD和DLB病例的临床PET评估。

文章来源

https://doi.org/10.1016/j.neuron.2024.05.006

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