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雨里:阿尔茨海默病百年黑暗中“闪烁”的曙光
Author:管理员    Released in:2017-07-05 11:56:24    Written words:【Big】【In the】【Small
Abstract:2016年11月23日感恩节期间,礼来备受关注的A-beta单抗solanezumab三期临床宣布失败,阿尔茨海默病(AD)顿时成了行业内最热门的话题之一。

2016年11月23日感恩节期间,礼来备受关注的A-beta单抗solanezumab三期临床宣布失败,阿尔茨海默病(AD)顿时成了行业内最热门的话题之一。消息刚出来的时候,人们对AD和A-beta假说的信心达到冰点,礼来的股票大跌10.5%,并波及百健等其他公司。有人批评礼来高管的自私和赌徒心理,但更多地是赞赏礼来在黑暗中的坚持。 药物开发是一个漫长的过程,但生物医药领域变化却很快,短短一个月不到,AD领域又有重大进展。


重燃A-beta假说的信心


据国外媒体报道,礼来Expedition3临床试验数据的详细分析实际上又燃起了对A-beta假说的信心:给药组认知功能对比安慰组有11%的改善,虽然没有达到统计学意义;其他终点或多或少都有些非统计学意义的改善;而且solanezumab只降低了血液中的A-beta,对大脑中的含量影响很小,被认为是效果不佳的原因之一。参与临床试验的南加州大学教授Paul Alisen说这次试验不是否定了A-beta假说,而是目前为止最有力的证据。12月9日,百健的A-beta单抗aducanumab提前泄露部分数据,似乎证实了这个说法:大脑中淀粉样蛋白大幅减少,病人认知功能有显著改善,虽然有关副作用达到35%。同一天,礼来联手阿斯利康宣布共同开发选择性Aβ42 抗体MEDI1814,双方此前合作的BACE抑制剂AZD3239也已推至后期开发,显示了两个巨头对A-beta理论不离不弃的信心。个人认为,A-beta理论的支持者显得过于乐观,他们似乎忘记了礼来自己的r-secretase 抑制剂semagacestat是如何失败的:虽然降低了大脑中的A-beta,认知功能却恶化了。我们为这种“stay hungry stay foolish”的精神感动之余,也热切期盼不同的理论和发现。


一项AD领域的突破性研究成果


幸福似乎来得很快:12月8日, 麻省理工学院科学家在《Nature》发表了一项突破性的AD研究成果,领衔的是出生于台湾的国际知名神经科学家蔡理慧教授(1)。他们利用光遗传学技术在AD基因工程小鼠模型中证明,频率为40 Hz的Gamma脑电波不仅可以抑制A-beta淀粉蛋白的产生,还可以激活免疫小胶质细胞加速清除已有的淀粉蛋白。这项研究中,小鼠记忆形成的海马区CA1中的FS(fast-spiking)神经元中表达了光敏蛋白ChR2,从而可以被外界光源激活和控制,这就是近年来诺贝尔奖呼声很高的光遗传技术之一。  

随后,研究人员证明,即使采用非侵入式的40 Hz的LED灯,通过视觉刺激,增强AD小鼠视觉皮层的Gamma脑电波,也能有效消除视觉皮层的A-beta淀粉蛋白。更神奇的是,文章进一步证实Gamma脑电波也能降低AD另一个重要的生物标记物:磷酸化的Tau蛋白。稍显遗憾的是,文中并未探讨小鼠的行为学试验,我们尚不知道,Gamma脑电波对A-betaTau蛋白的调节能否转化为认知功能的改善。另外,这些结果能否在人体身上重现,只有通过临床试验才能获知。好在LED灯不同于一般的药物,安全性和制造成本都有优势。据新闻报道,蔡教授及其MIT合作者,光遗传学大牛,Edward S. Boyden教授已联合成立Cognito Therapeutics,相信很快就会将这项技术推向临床。也有人担忧,非侵入式的LED灯只能调控视觉皮层,其治疗意义有限。MIT科学家正在进一步探索非侵入式刺激大脑其他区域的办法。其实,大脑不同区域的Gamma脑电波可以同步,刺激视觉皮层未必就不能影响其他区域。


成果的重要意义


这项发现对于我们理解AD致病机理和开发AD治疗药物都有重要意义。许多人认为这只是众多成功的老鼠实验之一,充其量是降低A-beta的办法比较独特而已,并没有意识到它的重要性。首先,这个发现是完全新的理论,并不同于传统的A-beta理论。试验中的小鼠,在产生A-beta斑块之前,已有Gamma波的异常;通过干预Gamma波,不但调节A-beta水平,也影响Tau蛋白;因此在这里,这两个指标更像症状改善的结果,而不是致病原因。当然,不能排除他们反馈减弱Gamma波,形成恶性循环。其实,Gamma脑电波与AD的关联性早有研究报道,包括AD病人中Gamma脑电波的异常(2)。只是,人们在A-beta理论的影响下,想当然地去尝试发现A-beta是如何影响Gamma脑电波,而不是相反。最近,还有好几篇这样的研究报道(3)。有时候创新就是这么简单,只需要跳出原有的思维方式。当然光遗传学提供的研究工具也必不可少,这就是发明新技术的伟大意义。

 

要准确理解这项研究的意义,我们又要“故弄玄虚”,从头说起。生命无疑是世界上最复杂的体系,但是在哲学家的眼里,却是大道至简。美国著名的诺贝尔物理学奖获得者PW Anderson1972年发表的经典《Science》文章“More is different”中提到了生命体系中一个最基本的现象:那就是简单元素的时空重复或者震荡。通过空间上的重复,可以承载信息。比如DNA分子,就是4个碱基在空间上的不断重复,产生“可读”的信息。而时间上的震荡(oscillation),至少有两个功能:一是像发动机一样,从外界获得能量;另一个就是处理信息(4)。产生信息,获得能量,处理信息,世间万物归结于此。因此,计算机01编码重复可以产生一部复杂的电影,而你也会发现震荡和节律(rhythm)在生命中无处不在,包括生长,发育和记忆等等。

 

神经系统又是生命中最复杂的体系,却对震荡和节律作了最好的诠释。医药之父希波克拉底早在公元前400年左右就纠正亚里士多德的说法,提出大脑是产生思想,感觉,情绪等一切心理活动的中心,而不是心脏。这些看起来复杂无比的大脑活动,其实就是不同强度和频率的动作电位(action potential, AP)在时空震荡的组合;而APNa+, K+,Ca2+Cl-等离子跨膜改变里外电荷密度产生的电位差。想来有意思,我们的意识和喜怒哀乐归根到底就是几个离子所控制的。

AP通过突触(synapse)可以从一个神经元传到另一个,是神经系统细胞交流的基本语言。AP有时可以直接跨越神经元轴突末端(axon)之间的间隙,但更多的时候是要通过多巴胺,五羟色胺和γ-氨基丁酸(GABA)等神经递质(NT)来传导,这是神经系统实现复杂调控的基础。神经系统药物的研发几乎就是围绕神经递质调控的7个步骤来展开的。这些药物中,大部分是神经递质的各种受体的调节剂,包括部分或完全激动剂,拮抗剂等,目前仍是中枢神经系统(CNS)药物研发的主战场。神经递质受体药物很少单一作用于某一个受体,一般是多个受体,多种作用的组合,这给药物发现带来极大困难。很多药物是依靠动物模型表观筛选得到的,比如日本大冢的抗精神分裂药物阿立哌唑。这个药物是作为D2的部分激动剂开发的,但其实5-HT受体的拮抗作用也有重要贡献。这就回到了我们今天的话题。虽然脑部深度刺激在癫痫等疾病治疗中已经得到应用,但主流的药物研发,都是从分子水平出发,很少从整体的角度去考虑,比如对AP组合的各种脑电波的调控。而蔡理慧教授的研究成果表明,调节脑电波,可以大范围,宏观调控基因表达,改变和影响疾病进程。在这项研究中,Gamma脑电波可以调控免疫相关的小胶质细胞中的基因表达。其实2015年蔡教授在另外一篇《Nature》文章就探讨了AD中免疫相关的基因指纹变化,为这项发现的合理性提供了理论支持(5)。因此,这项研究的意义远远超过AD药物本身,而是为整个CNS药物研发提供了新思维。

表1:神经递质调控的7个步骤及药物作用机理

神经递质调控的7个步骤

激动作用的药物

抑制作用的药物

酶催化从前体合成神经递质(NT

增加NT的合成,比如增加前体的浓度或

抑制NT合成酶

NT在囊泡(vesicle)中的储存

增加NT的释放

增加泄漏

囊泡中泄漏的NT被酶降解

抑制降解酶而增加NT浓度

增加降解酶的活性

AP导致囊泡与突触前细胞膜融合并释放NT到细胞间隙

增加NT的释放

抑制NT的释放

释放的NT作用于突触前细胞上的自身受体而反馈抑制NT的进一步释放

竞争抑制自身受体

激动自身受体

释放的NT作用于突触后细胞上的受体,将AP传递至突触后细胞

激活突触后细胞上的受体

竞争抑制突触后细胞上的受体

多余的NT被重新吸收或降解

抑制重吸收或降解

增加重吸收或降解


表2:各种神经递质及其受体

NT

GPCRs

IRs

Acetylcholine(Ach)  

M1,M2,M3,M4,M5

nAChRs

Glutamate(Glu)  

mGluR1-8

AMPA;NMDA;Kainate

GABA  

GABAa;  

GABAb

Glycine(Gly)  

/

GlyR

Serotonin(5-HT)  

5-HT1(A,B,C,Da,Dβ,E,F),5-HT2,2F,5-HT4,5-HT5a,5β

/

Dopamine(DA)  

D1A,D1B,D2,D3,D4

/

Norepinephrine(NE)  

a1,a2,β1,β2,β3

/

Enkephalin  

μ, κ, δ

/

Cannabinoid  

CB1,CB2  

/

ATP  

A1,A2a,A2b,A3,P2y,P2z,P2t,P2u

/

Histamine  

H1-4  

/


那么,到底什么是Gamma脑电波?


脑电波其实就是大量神经元AP同步产生的电位总和,可以通过脑电图(Electroencephalogram,EEG)记录。当然,目前的EEG技术还只能准确地记录靠近大脑皮层或头皮表面的电位变化,限制了脑电波的研究和应用。比较常见的脑电波频率在1-30Hz之间,可划分为四个波段,即δ(13Hz)、θ(47Hz)、α(813Hz)、β(1430Hz)。我们今天的主人公Gamma波比较特殊,频率在30-80Hz,其中40Hz是最典型的频率,波幅范围不定,被认为与更高级的神经活动有关,比如意识,记忆,注意力的形成。

 

最早的EEG技术主要是检测频率小于25Hz的脑电波,因此Gamma波以前很少受到关注。Gamma波变得广为人知是因为神经科学里的一个著名的“绑定问题”(the binding problem):就是我们看到一个物体时,是如何将这个物体的各种信息绑定在一起而形成单一的感知;比如,我们看到一个移动的红色圆圈或者绿色三角形,我们是如何将颜色,形状和移动方向等信息绑定而形成对单一物体的认知。有人尝试用“空间上的组合”来解释。大意是对颜色和形状等外界刺激,都有专门的神经元负责感知,这些不同的神经元通过连接组合在一起,形成一个单一的感知。先不说,当我们看到一个东西时,这些处于不同部位的神经元如何能在一瞬间形成连接。最大的问题是我们一生当中,理论上看到的东西是无穷多的,而神经元的数目是有限的,无法为每一个不同刺激安排专门的神经元。直到发现两个处于不同地方的神经元,虽然物理上没有任何联系,但他们的电位震荡能够同步形成脑电波时,人们才尝试从时间维度上解释“绑定问题”:也就是我们看到一个物体时,负责感知不同信息的神经元在同一时间刻度上,同步震荡形成脑电泼,从而完成了所有信息的绑定。这不仅解决了速度问题,因为同一个神经元可以参加不同时间的同步,也解决了无穷组合的问题。Eckhorn等首先在1988年发现Gamma波是绑定形成的关键脑电波,随后Singer W等在1989年《Nature》上发表文章证实了这个发现(6,7)Crick and Koch 等许多学者从1990年起,先后提出Gamma波也是产生注意力,形成意识和记忆的关键因素(8)。大意是,当我们看到一个东西时,首先是将注意力集中到这个目标,绑定所有信息,从而启动Gamma波,形成意识,这些Gamma波的重放就是记忆了。大多数人认可Gamma波是形成绑定的关键,但是否导致了意识产生,却争议很大。问题是,我们无法通过实验证明这个理论。证明意识的产生,必然要有“无意识”的对照。生命的存在和一切活动是通过意识感知的,如何设计和解读这样的实验结果?因此,Vanderwolf等人在2000年得出一个结论:Gamma波是否与客观意识有关,是一个当前无法回答的问题(9) 

 

虽然争议很大,也没有影响关于Gamma波的有趣研究。纽约大学的Rodolfo Llinás教授在1993年《PNAS》上报道了Gamma波与做梦的关系。他们发现,那些睡觉醒来后汇报有做梦的人,他们睡觉状态下出现了类似于清醒状态下的40Hz Gamma波,差别是睡觉状态下的Gamma波不能被外界刺激所重置。他们关于梦的假说是:因为产生Gamma波的神经体系处于高度敏感的状态,以至于没有外界刺激也产生了短暂的意识(10)

 

另一个有趣的研究是关于冥想(meditation)和Gamma波的关系。说到这里,让我想起我在哥伦比亚大学参加的一个讲座。主持人是哥伦比亚大学宗教系主任,Robert Thurman,著名的藏传佛教徒,DLLama的徒弟和好朋友,女儿是著名的电影明星Uma Thurman。这人一直鼓吹XZ独立,中国人不太喜欢他。当天的演讲也没给人留下什么深刻印象,无非是因果报应和转世什么的,规劝我们一众博士后“民工”,要好好干,不要抱怨,这样下辈子就可以去非洲的大草原上做一只快乐的猪。他请来的威斯康星大学教授Richard J. Davidson的演讲,才是我特别想介绍的。Richard常年通过现代科学手段比如核资共振和脑电波研究西藏Lama的冥想练习。他的研究发现,练习了几十年的Lama,如果进入富于同情心的冥想状态,他们脑中产生了强大的Gamma波,是人类活动中,除了癫痫的病态发作外,最强大的Gamma波。初学者,也能产生类似的Gamma波,但强度要弱得多。而且,Lama清醒状态下的基础Gamma波,强度也高于常人。这就说明Gamma波是可以通过训练获得的(11)。结合蔡教授的发现,我们有理由相信,冥想练习可能有助于预防AD

 

当然,个人认为,Gamma波的研究,真正获得突破性进展,还是在光遗传学技术问世后发生的。比如,奠定Gamma波在AD领域发现的基础研究,其实可以追溯到2009年,蔡教授与MIT科学家Christopher I. Moore合作的一项工作(12),他们发现通过光遗传技术刺激抑制性FS中间神经元可以特异性诱导Gamma波的产生,而锥体神经元的激活只能影响低频率的脑电波。这项研究证明,体内激活特定细胞,可以调节和诱导大脑的神经网络活动。值得一提的是,抑制性神经元主要是受GABA调控,Gamma波可以通过GABA及其受体来调控。蔡教授的AD研究中也提到GABAa的拮抗剂可以阻止Gamma波的产生。这也合理地解释了之前大量GABAaAD相关的研究,包括GABAa激动剂的神经保护作用和减少A-beta的产生等(13)


Gamma波可能成为AD的新理论吗?


从上述介绍可以看出,Gamma波可能为长期陷于僵局的AD药物研发打开新的一扇门。首先,Gamma波可能成为AD药物研发的替代指标。A-betaTau蛋白作为AD主要的生物标记物,到目前为止,关联性还没有得到证实。而AD这样的复杂疾病,单一分子作为生物标记物,可能是不充分的。Gamma波作为神经活动的整体和高级表现,有可能更加准确地反映疾病状态的变化。有意思的是,耶鲁大学的一项研究表明,礼来失败的r-secretase抑制剂semagacestat虽然降低A-beta水平,但是减弱了海马区的脑电波,研究者认为这是semagacestat恶化认知功能的可能原因(14)。 

 

如果将Gamma波作为一个衡量指标,我们首先要重新审视已有AD药物,特别是神经递质相关的药物比如乙酰胆碱酯酶抑制剂,谷氨酸受体(NMDA)调控剂美金刚,和GABA类促智药,以及在研的a7nAChR激动剂,5-H6拮抗剂等等,对Gamma波的影响,因为这些神经递质及其受体都参与Gamma波回路的调控。可以尝试建立评价方法,进一步优化现有药物。另外,我们可以尝试探索增强Gamma波的新靶点。比如,2012年两项研究表明,多巴胺通过D4受体调节海马区Gamma波,激活D4增加Gamma波的强度(15,16)。鲁拉西酮(Lurasidone)是灵北新上市的第三代抗精神分裂药物,该药物最大的特点就是唯一证明可以改善病人认知功能的抗精神分裂药物。最近的研究表明,可能是与D4有关,因为鲁拉西酮是这些药物中,唯一没有D4抑制作用的化合物,而D4激动剂可以改善狨猴的学习和执行能力(17)。这些证据,通过Gamma波理论,可以加在一起,成为开发D4激动剂治疗AD的理论依据。

 

Gamma波的研究结果还可能颠覆一个传统的思维:那就是神经递质药物被认为只能改善症状,而不能改变疾病进程。神经递质及其受体是形成Gamma波的关键。按照蔡教授的发现,调节神经递质可以影响Gamma波,从而进一部调节免疫基因指纹并改变疾病进程。

 

当然,就像我们前面提到的,简单的装置比如LED灯可以刺激大脑产生Gamma波,这本身也可以达到治疗目的,或是与有关药物联用。冥想的研究结果表明Gamma波是可以人为训练的。虚拟现实或增强现实,人机对话等黑科技发展很快,并逐渐进入健康领域,如果Gamma波结果被证实,不难想象,将来攻克AD,还要更多的选择。



结语


阿尔茨海默病之所以成为热点话题,不但因为它是一种老年人高发的可怕疾病,而且给家庭和社会带来沉重的负担。自1906年发现以来,人类基本上还对其束手无策。多年来,A-beta理论占据主流地位,然而基于该理论的药物开发多以失败而告终。如前所述,该理论还没有完全失败,但带来颠覆性效果的可能性几乎为零。最近,AD基础研究不断深入,但个人认为,Gamma波的这项发现最接近记忆形成的本质。已有大量研究表明,A-beta在突触和记忆形成中有重要的生理功能,而且功能与其浓度相关。可以想象,A-beta就像一种神经递质,经受动态和复杂的调控。我在这里提出阿尔茨海默病的Gamma波理论:A-betaGamma波和记忆形成的关键调控分子,其浓度受到严格控制,记忆形成中Gamma波将小胶质细胞(以及其他未发现的细胞)纳入回路,启动A-beta的吸收,同时协同其他机制抑制A-beta的产生,从而反馈降低过高的A-beta浓度;病理情况下,A-beta敏感度下降,不能有效促进Gamma波和记忆的形成,分泌不断增加,引发恶性循环,最终导致阿尔茨海默病。这和II型糖尿病的胰岛素机制有些类似。最后,以一个最近的新闻结束本文:英国一项MRI研究发现,打乒乓球可以降低阿尔茨海默病人的认知功能下降并改善记忆。读了本文关于视觉皮层的节律刺激,你是不是若有所思呢?


参考文献:

1.     Gamma frequency entrainment attenuates amyloid load and modifies microglia. Nature 2016540(7632):230-235

2.     Delay of cognitive gamma responses in Alzheimer's disease. Neuroimage Clin 2016, 11:106-15

3.     Aβ1-42-induced dysfunction in synchronized gammaoscillation during working memory. Behav Brain Res 2016, 307:112-9

4.     More is different. Science 1972, 177, 393-396

5.     Conserved epigenomic signals in mice and humans reveal immune basis of Alzheimer's disease. Nature 2015, 518(7539):365-9

6.     Coherent oscillations: a mechanism of feature linking in the visualcortex? Multiple electrode and correlation analyses in the cat. Biol Cybern 1988,60(2):121-30.

7.     Oscillatory responses in cat visual cortex exhibit inter-columnar synchronization which reflects global stimulus properties. Nature 1989, 338(6213):334-7

8.     The problem of consciousness. Scientific American 26, 153–159

9.     "Are neocortical gamma waves related to consciousness?". Brain Res, 855 (2): 217–24.

10.  Coherent 40-Hz oscillation characterizes dream state in humans. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 90 (1993) 2079

11.  Long-term meditatorsself-induce high-amplitude gamma synchrony during mental practice. Proc Natl Acad Sci USA 2004,101(46):16369-73

12.  Driving fast-spiking cellsinduces gamma rhythm and controls sensory responses. Nature 2009 , 459(7247):663-7

13.  Etazolate, aneuroprotective drug linking GABA(A) receptor pharmacology to amyloid precursor protein processing. J Neurochem 2008 , 106(1):392-404

14.  Effects of the γ-secretase inhibitor semagacestat on hippocampal neuronal network oscillation. FrontPharmacol 2013, 14;4:72

15.  Neuregulin and dopamine modulation of hippocampal gamma oscillations is dependent on dopamine D4 receptors. Proc Natl Acad Sci USA. 2012, 109(32):13118-23

16.  Dopamine D4 receptor activation increases hippocampal gamma oscillations by enhancing synchronization of fast-spiking interneurons. PLoS One 2012, 7(7):e40906

17.  Lack of dopamine D4 receptor affinity contributes to the procognitive effect of lurasidone. Behav Brain Res 2014, 261:26-30

18.  The road to restoringneural circuits for the treatment of Alzheimer's disease. Nature 2016, 539(7628):187-196



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作者:雨里

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