利用 ASO 治療阿茲海默症

阿茲海默症(Alzheimer's Disease, AD)的致病原因除了大家都知道的 β-amyloid (Aβ) 和 tau 堆積外，還有一個是 ApoE (apolipoprotein E)。ApoE 在腦中是由 astrocytes 製造的，原本的功能是運送膽固醇(cholesterol)到神經細胞，但並不知道它在 AD 裡扮演的角色為何。雖然早在 25 年前就發現它會增加 AD 的風險，帶有 ApoE4 基因得到 AD 的機率比帶有 ApoE3 的高三倍以上，但其詳細機制還不清楚。

目前認為 Aβ 是引起阿茲海默症的原因，但它的堆積似乎和疾病的症狀沒有直接關係，在它之後發生的 tau 堆積反而會造成腦部的損害。那 ApoE 呢？它在其中扮演獨立的角色，還是牽線的角色？ApoE 的 variants 有三種：ApoE2-4，並不是每種都會增加阿茲海默症的風險，目前所知只有 ApoE4 會。這期的 Neuron 有兩篇是關於 ApoE4，第一篇研究顯示 ApoE4 是造成 Aβ 開始堆積的原因。之前有研究顯示帶有 ApoE4 基因的人其 Aβ 堆積的 plaques 比沒帶得多，也許它是造成 Aβ 堆積的原因，或是它會促進 Aβ 的堆積。Aβ 在腦中一開始只是緩慢的微量堆積，稱為 seeding stage，到後期量邊多了以後，堆積速度會變快，而在這個過程中 ApoE 是從哪個階段開始參與呢？

Liu et al 的這篇研究用了可以控制 ApoE3 和 ApoE4 表現且帶有基因突變(APP/PS1)的 AD 老鼠，AD 老鼠在四、五個月大的時候會開始出現 Aβ 堆積的徵兆，然後六到九個月大是 Aβ 堆積最快速的時期，十個月大的時候則接近巔峰。他們讓老鼠的 ApoE 在三個不同時期開始表現：從剛出生到九個月大時都持續表現、只在前面六個月(也就是 Aβ 的 seeding stage)表現，或是在疾病的後期(也就是六到九個月大時)才表現。他們發現 ApoE4 從剛出生到九個月大都持續表現的老鼠，牠們的 Aβ 堆積有明顯的增加，而只表現 ApoE3 的老鼠則沒出現這個現象。他們也比較了只表現前六個月(出生到六個月大)和只表現後三個月(六到九個月大)的老鼠，發現前六個月有 ApoE4 表現的老鼠的 Aβ 堆積也有明顯增加，而只有後三個月有 ApoE4 表現的老鼠卻沒這個現象。另外，他們也發現 ApoE4 會讓 Aβ 無法被自然清理掉，使得它更容易堆積在腦內。

ApoE4 除了會加速 Aβ 的堆積外，也會增加 tau 對腦部的傷害。幾個月前刊在 Nature 的研究顯示 ApoE4 會加速 tau 的堆積，之前也有研究顯示 ApoE4 會增加 phospho-tau (p-tau) 的表現量。 Shi et al 的這個研究用了帶有突變 tau 基因(P301S)的老鼠，這個突變會產生大量 tau (是原本 endogenous tau 的五倍量)，隨著年紀增長，insolube tau 會漸漸增加，最後形成 tau tangles，且這些堆積在腦部的 tau 都被高度磷酸化(phosphorylated)。這種老鼠在 1.5 個月大的時候腦部就會出現 tau 的堆積，在八個月大的時候即可觀察到腦細胞死亡和腦萎縮，海馬迴尤為嚴重。他們把這種老鼠本身的 ApoE4 基因拿掉，讓它不帶任何 ApoE 基因(ApoE KO, TEKO)，或是拿掉 ApoE4 基因(TEKO)後再轉進其中一種人類的 ApoE 基因(P301S/ApoE2 (TE2), P301S/ApoE3 (TE3), P301S/ApoE4 (TE4))。

About AD transgenic mice: Tau P301S (Line PS19)

突變 tau 的老鼠在三個月大時，帶有人類 ApoE4 基因的老鼠腦部的 tau 表現量就比帶有其他種 ApoE 的高很多，其海馬迴裡的 p-tau 表現量也比較高。當老鼠九個月大的時候，他們檢視老鼠腦部，發現帶有 ApoE4 基因的老鼠腦部損害(萎縮)最嚴重，而帶有 ApoE2 的則是最輕。有趣的是沒帶有任何 ApoE 基因的老鼠(P301S/TEKO)腦部幾乎沒有被 tau tangles 損害；而不管是否帶有其中一種 ApoE，但是只帶有正常 tau 而非突變 tau 基因的老鼠，在九個月大的時候腦部也沒有萎縮的跡象。另外，帶有 ApoE4 基因的老鼠 (P301S/TE4)出現因為免疫反應引起的發炎，但是帶有其他 ApoE 的老鼠並沒有這個情形。而且同樣的，如果是正常 tau 而非突變 tau 的話，即便帶有 ApoE 也沒有出現免疫反應。體外試驗顯示並非只有 ApoE4 會使表現突變 tau 的細胞出現免疫反應和引起神經細胞的死亡，其他的 ApoE 也會，只是沒 ApoE4 那麼嚴重。

除了老鼠實驗，他們也檢視了 ApoE 和 tau 在人類患者中的關係是否和在老鼠中相同。大多數人帶有的是 ApoE3，少數沒有帶任何 ApoE 基因的人通常會出現膽固醇過高的情形，如果沒治療的話，可能會在年輕時便因心血管疾病而死。在這個研究裡， 他們檢視了 79 位因為 tau 堆積致死患者的大腦和他們帶有的 ApoE 基因，發現 Aβ 堆積的程度和腦部萎縮的程度沒有直接關係，反倒是帶有 ApoE4 的患者惡化的比較快，腦部萎縮、損害的比較嚴重。總結來說，這篇研究顯示相較於 Aβ，tau 和 ApoE4 比較像是使病情惡化的主因，ApoE 會加速 p-tau 的堆積，並且引發免疫反應造成發炎現象，最終導致腦細胞死亡。



既然 ApoE4 似乎是造成疾病的關鍵因素之一，於是這期 Neuron 的第二篇相關研究便是用了ASO (antisense oligo)去抑制 ApoE 的表現，看看是否會有效果。他們用了兩種老鼠，分別是帶有 AD 突變基因(APP/PS1)和人類 ApoE3 的老鼠(AD/ApoE3)和帶有人類 ApoE4 的 AD 老鼠(AD/ApoE4)，然後在不同的時期把 ASO 打入這兩種老鼠：從剛出生第一天就給 ASO，或從六週大時(腦中已出現 plaques)才給 ASO，然後在十六週(四個月)大的時候檢視這兩種老鼠腦中的 Aβ 堆積情形。結果發現不管從何時開始打 ASO 都能有效降低 ApoE3 和 ApoE4 至約一半的量。至於在 Aβ 的部分，剛出生就給與 ASO 治療的老鼠，不管是 ApoE3 還是 ApoE4 的老鼠，牠們腦中的 Aβ 都明顯的降低了，並且 ApoE4 老鼠腦中的 plaques 也比沒 ASO 治療的低。如果是六週後才進行 ASO 治療的話，Aβ 量則沒有明顯的降低。不過有趣的是不管是剛出生就給 ASO，還是六週後才給 ASO，Aβ plaques 旁邊的 neuritic dystrophy 都有變少，即便六週才給 ASO 的老鼠腦中的 Aβ 量並沒有減少，表示 ApoE4 可能有參與 Aβ 引起的發炎反應。


由以上研究看來，ApoE4 雖然是配角，但卻是關鍵配角。好想知道我的 ApoE variants 是哪一種哦，希望不是 ApoE4。XD



延伸閱讀：阿茲海默症新藥 Aducanumab



Articles:

WU in St. Louis Press Release / Newly ID’d role of major Alzheimer’s gene suggests possible therapeutic target

Alzheimer's News Today / Targeting ApoE in Brain Alone May Lead to Alzheimer’s Treatment, Researchers Say

NNR / Treatment Reduces Alzheimer's Damage

Nature News / Alzheimer's disease: The forgetting gene (2014)


Papers:

Y Yoshiyama et al, Synapse Loss and Microglial Activation Precede Tangles in a P301S Tauopathy Mouse Model. Neuron (2007)

Y Shi et al, ApoE4 markedly exacerbates tau-mediated neurodegeneration in a mouse model of tauopathy. Nature (2017)

C Liu et al, ApoE4 Accelerates Early Seeding of Amyloid Pathology. Neuron (2017)

TV Huynh et al, Age-Dependent Effects of apoE Reduction Using Antisense Oligonucleotides in a Model of β-amyloidosis. Neuron (2017)