Nature 新发现：内源性锂缺乏与阿尔茨海默病发病相关|内源性锂|磷酸化|神经元|细胞|蛋白|阿兹海默症|阿尔茨海默

来源：读者投稿

近日，哈佛医学院 Bruce A. Yankner 教授和拉什大学 David A. Bennett 的联合团队报道了内源性锂缺乏与阿尔茨海默病发病的密切关系，首次明确锂稳态失衡是 AD 发病机制中的早期驱动事件，并且提出潜在的治疗方法。

本文摘要

内源性锂（Li）稳态失衡被揭示为阿尔茨海默病发病的早期关键因素。金属离子紊乱与阿尔茨海默病（AD）病理的关联已被广泛研究，既往证据已表明钠、锌、铜、铁、Li 等多种金属参与其中。

然而，Li 在 AD 前驱期——轻度认知障碍（MCI）中的作用尚不清楚。本研究揭示，大脑内源性 Li 受到动态调控，对维持衰老过程中的认知功能至关重要。

核心发现如下：

1. Li 在 MCI 阶段特异性减少：在多种金属中，Li 是唯一在 MCI 患者大脑中显著减少的元素；而在 AD 患者中，由于 β 淀粉样蛋白（Aβ）沉积的螯合作用，其可利用性进一步降低。

2. 内源性 Li 缺乏驱动 AD 样病理：通过饮食干预，在野生型及 AD 模型小鼠中诱导大脑皮质内源性 Li 水平降低约 50%，可显著加剧 Aβ 沉积和磷酸化 tau 蛋白积累，并诱发促炎性小胶质细胞活化、突触/轴突/髓鞘丢失以及认知功能加速衰退。

3. 关键机制涉及 GSK3β 激活：上述病理效应至少部分由糖原合成酶激酶 3β（GSK3β）的激活所介导。

4. 转录组层面与 AD 高度重叠：单核 RNA 测序分析显示，Li 缺乏引起多种脑细胞类型的转录组变化，与 AD 患者大脑的转录组特征存在显著重叠。

5. 靶向替代治疗的潜力：使用与 Aβ 结合力低的 Li 盐 —— 乳清酸 Li 进行替代治疗，能有效预防 AD 模型小鼠及衰老野生型小鼠的病理进展和记忆丧失。

核心结果

一、MCI 和 AD 中的 Li 缺乏：

1. MCI 和 AD 患者大脑中的内源性 Li 平衡受到了干扰

（1）前额叶皮质（PFC）是 AD 的主要受影响区域，而小脑则相对不受影响。电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）评估了 27 种金属中，只有 Li 金属在 MCI 和 AD 患者的 PFC 中显著降低。

（2）在 MCI 和 AD 患者的 PFC 中，Li 显著降低，但在小脑中却没有降低。同时，在第二个独立队列中，AD 患者的 PFC 中的 Li 含量也明显降低。

（3）其他几种金属的皮质与血清比率在 AD 中也发生了变化，但在 MCI 中没有变化。

2. Li 被 Aβ 沉积螯合，降低了其生物利用度

（1）激光吸收 (LA)-ICP-MS 分析表明所有 MCI 和 AD 病例中都检测到了 Aβ 斑块中极高浓度的 Li，而且从 MCI 到 AD，浓度都在增加。

（2）非斑块皮质部分中较低的 Li 含量与整个老龄化人群在情节记忆和语义记忆以及认知功能整体指数方面的认知测试得分降低相关。相对于对照病例，AD 患者 PFC 非斑块部分的 Li 显著降低。

（3）LA-ICP-MS 显示，12 个月大的 J20 小鼠皮质 Aβ 沉积中的 Li 浓度是邻近无斑块皮质区域的 3-4 倍。此外，相对于野生型小鼠，J20 非斑块皮质部分中的 Li 显著减少。

（4）在 Aβ 沉积开始前 3 个月的 J20 小鼠与年龄匹配的野生型小鼠相比，可溶性皮质部分的 Li 并没有减少。

Fig. 1: Lithium deficiency and the onset of AD.

二、小鼠模型中的 Li 缺乏症

1. Li 缺乏会加速 AD 小鼠模型中 Aβ 的沉积，并增加老化野生型小鼠中 Aβ42 的水平

（1）从小鼠饮食中选择性地去除 Li（减少 92%）会导致平均血清 Li 含量减少 89%，非斑块部分的平均皮质 Li 含量减少 47-52%。

（2）缺 Li 饮食饲养的 3xTg 和 J20 小鼠海马中的 Aβ 沉积显著增加。早在摄入缺 Li 饮食五周时，就可观察到 Aβ 增加，并随着长期处理而继续增加。

（3）在衰老的野生型小鼠中，缺 Li 饮食使皮层 Li 减少了约 50%。这导致大脑皮层和海马的 Aβ42 显著升高，而 Aβ40 则呈上升趋势。

2. Li 缺乏会促进神经元磷酸化-tau 的积累

（1）缺 Li 饮食的 3xTg 小鼠的海马神经元中，pSer202-tau 和 pSer396/Ser404-tau 都增加了 3-4 倍。一部分受影响的神经元在硫黄素 S 染色中显示出磷酸化-tau 的升高，这种结构类似于 NFT。

（2）磷酸化-tau 的升高早在缺 Li 饮食五周后就很明显，并随着长期处理而持续升高。

3. 内源性 Li 可保护小鼠在出现 AD 型病变以及正常衰老过程中免受记忆丧失的影响

（1）根据莫里斯水迷宫的测定，缺 Li 饮食的 3xTg 小鼠会显著损害其学习能力和长期记忆能力。缺 Li 饮食的 3xTg 小鼠会导致在 Y 迷宫和新物体识别记忆测试中出现明显缺陷。

（2）缺 Li 饮食的野生型老龄小鼠在莫里斯水迷宫和新物体识别测试中也表现出明显的记忆缺失。

Fig. 2: Lithium deficiency accelerates AD pathology and cognitive decline.

三、Li 缺乏症的转录组

1. 内源性 Li 会广泛影响大脑转录组和蛋白质组的组成

（1）缺 Li 饮食的 3xTg 小鼠处理 5 周后，海马细胞群中已分辨细胞类型的相对丰度没有变化。

（2）差异表达基因（DEGs）分析表明，兴奋性神经元、颗粒细胞和抑制性神经元以及少突胶质细胞、星形胶质细胞、小胶质细胞和少突胶质祖细胞（OPCs）的转录组发生了显著变化。

（3）缺 Li 饮食的 3xTg 小鼠海马的蛋白质组分析表明，突触和髓鞘蛋白成分的丰度显著降低，而参与神经炎症、脂质代谢和线粒体膜组织的蛋白质丰度增加。

2. Li 缺乏症的转录组与人类 AD 病理转录组大致重合

（1）人类活检研究中表现出早期 Aβ 沉积的样本显示出的细胞特异性 DEGs 与缺 Li 饮食的 3xTg 小鼠重合。一致的 DEGs 包括兴奋性和抑制性神经元中上调和下调的基因、小胶质细胞和 OPCs 中上调的基因以及少突胶质细胞中下调的基因。

（2）在活检前或活检后一年内被诊断为 AD 的同时具有 Aβ 和磷酸化-tau 病理变化的人类皮质样本中，与缺 Li 饮食的 3xTg 小鼠 DEGs 更加重合。一致的 DEGs 包括兴奋性和抑制性神经元、小胶质细胞和少突胶质细胞中上调和下调的基因，以及星形胶质细胞、内皮细胞和 OPCs 中上调的基因。

3. 内源性 Li 有助于老化小鼠大脑中突触的维持

（1）涉及突触信号和结构的基因因缺 Li 饮食而广泛下调。

（2）缺 Li 饮食的 3xTg 小鼠和野生型小鼠的高尔基染色检测到树突棘丢失，突触前和突触后蛋白突触素和 PSD-95 的免疫标记也分别减少。

（3）缺 Li 饮食的 3xTg 小鼠海马的蛋白质组分析证实了突触蛋白丰度的降低。

4. 内源性 Li 有助于维持髓鞘的完整性

（1）缺 Li 饮食的 3xTg 小鼠会降低少突胶质细胞中髓鞘相关基因的表达，并降低髓鞘相关蛋白的丰度。

（2）氟髓鞘脂标记显示，长期缺 Li 饮食的 3xTg 小鼠髓鞘明显减少。这与缺 Li 饮食的 3xTg 小鼠和野生型小鼠的少突胶质细胞、OPCs 和轴突数量减少有关。

（3）缺 Li 饮食的 3xTg 小鼠神经轴突周围的电子致密髓鞘较薄，轴突内径与轴突加髓鞘纤维总直径之比显著升高。

Fig. 3: Cell-type-specific regulation of gene expression by endogenous lithium.

四、Li 与小神经胶质细胞功能

1. Li 缺乏改变小胶质细胞转录组的方式与 AD 重叠

3xTg 和野生型小胶质细胞中因缺 Li 饮食而上调的基因富集在与 AD 和神经变性途径、电子传递链和呼吸、淀粉样纤维形成调控、翻译和氧化应激中。因缺 Li 饮食而下调的基因富集在 DNA 损伤反应、细胞对应激的反应、输入细胞和蛋白质分解过程等。

2. Li 缺乏会导致反应性促炎状态和 Aβ 清除能力受损

（1）免疫标记显示，缺 Li 饮食的 3xTg 小鼠的 CD68 免疫反应性小胶质细胞显著增加，同时 GPNMB 和脂蛋白脂肪酶（LPL）的小胶质细胞蛋白表达显著增加（这两种蛋白是 AD 中小胶质细胞反应性的标志物）。类似地，在 J20 小鼠中，缺 Li 饮食会增加 CD68+反应性小胶质细胞的密度。

（2）缺 Li 饮食的野生型小鼠的小胶质细胞显示促炎细胞因子 IL-6、TNF 和 G-CSF 以及免疫激活趋化因子 CCL3、CCL4、CCL5 和 CXCL2 的释放量升高。

（3）与对照小鼠的小胶质细胞相比，缺 Li 饮食的野生型小鼠分离的小胶质细胞对 Aβ42 的摄取和随后的降解显著减少。

3. 内源性 Li 对 GSK3β 的调控——GSK3β 活化导致了与 Li 缺乏相关的一系列病理变化

（1）Ingenuity/IPA DEGs 分析确定了 Wnt-β-catenin 信号通路受到显著影响，预计在小胶质细胞、兴奋性神经元和少突胶质细胞中受到抑制。

（2）免疫标记显示，缺 Li 饮食的 3xTg 和野生型小鼠海马 CA1 神经元的核 β-catenin 水平明显降低。缺 Li 饮食后，少突胶质细胞和小胶质细胞的核 β-catenin 水平也降低了。

（3）丝氨酸-苏氨酸激酶 GSK3β 是 β-catenin 信号的核心调节因子，缺 Li 饮食会升高 3xTg 小鼠海马 CA1 神经元、少突胶质细胞和小胶质细胞中 GSK3β 的总水平。对缺 Li 饮食的小鼠海马的蛋白质组分析证实了 GSK3β 蛋白总量的升高。GSK3β mRNA 也因缺 Li 饮食而升高。

（4）GSK3β 通过酪氨酸 216 的自身磷酸化激活，酪氨酸 216 在 AD 中会增加。3xTg 和野生型小鼠海马 CA1 神经元和少突胶质细胞中 pTyr216-GSK3β 的水平因缺 Li 饮食而显著升高。

（5）抑制 GSK3β 活性的 GSK3β 在 Ser9 处的磷酸化在绝对水平上没有变化，但 pSer9 与 GSK3β 总量的比率降低了。

（6）相比之下，Li 在药理浓度下可通过肌醇单磷酸酶调节肌醇水平，但内源性 Li 缺乏并不改变肌醇水平。

（7）用 GSK3β 抑制剂 CHIR99021 治疗可逆转缺 Li 饮食相关的小胶质细胞活化，并使多种促炎细胞因子和趋化因子的水平恢复正常。

（8）用 GSK3β 抑制剂 CHIR99021 培养缺 Li 饮食的野生型小鼠的原代小胶质细胞可恢复 Aβ42 的摄取和降解。

（9）使用第二种 GSK3β 抑制剂 PF-04802367 也取得了类似 CHIR99021 的结果。此外，用 CHIR99021 处理缺 Li 饮食的 3xTg 小鼠可逆转升高的 Aβ 沉积和 tau 磷酸化，并恢复少突胶质细胞数量和髓鞘碱性蛋白（MBP）的表达。

Fig. 4: Lithium deficiency activates microglia and impairs Aβ clearance.

五、Li 替代疗法

1. LiO 可减少淀粉样蛋白的螯合，并更有效地提高大脑中非斑块的 Li

（1）在有机 Li 盐中，乳清酸锂（C5 H3LiN2O4，以下简称 LiO）显示出最低的电导率，因此被选中与临床标准碳酸锂（LiC）做进一步比较。

（2）平衡透析结合试验表明，Li 可与体外合成的人类 Aβ1-42 形成的纤维和低聚物结合。在广泛的 Li 浓度范围内，LiC 与 Aβ42 纤维和低聚物的结合亲和力均高于 LiO。

（3）为了进一步探究体内 Li-Aβ 的相互作用，给 J20 和 3xTg 小鼠的饮用水中添加了低剂量的 LiO 和 LiC（4.3 μEq l-1 Li），从而使血清中的 Li 含量达到了在衰老的人类和小鼠中观察到的生理浓度范围。

（4）给予低剂量 LiO 或 LiC 后，血清和海马中的 Li 含量没有明显差异。然而，在给 3xTg 和 J20 小鼠喂养 LiC 后，Li 高度集中在 Aβ 斑块中，但在喂养 LiO 后，Li 在 Aβ 斑块中的集中程度要小得多。（4）在 3xTg 和 J20 小鼠中，LiO（而非 LiC）能显著提高非斑块部分的实质 Li。

2. LiO 能有效减少 Aβ 沉积和磷酸化-tau 的积累

（1）当给成年 3xTg 小鼠喂养 LiO 时，生理剂量几乎完全阻止了 Aβ 斑块沉积和磷酸化-tau 的积累；相比之下，喂养 LiC 或乳清酸钠对照组没有明显效果。

（2）给 9 到 18 个月大的 3xTg 小鼠喂养 LiO 能显著减少海马中 Aβ 斑块和磷酸化-tau 阳性 NFT 样结构的密度，而相同剂量的 LiC 没有明显效果。

（3）在有大量 Aβ 沉积的老年 J20 小鼠中，LiO 也能将 Aβ 斑块减少约 70%。

3. LiO 可抑制 AD 型病理学、神经炎症和突触丢失，并恢复记忆

（1）LiO 而非 LiC 增加了突触标记物 PSD-95 的表达，提高了髓鞘相关 MBP 的免疫活性并增加了少突胶质细胞的数量。

（2）在抑制老龄 3xTg 小鼠的小胶质细胞和星形胶质细胞增生方面，LiO 也比 LiC 更有效。

（3）低剂量 LiO（而非 LiC）能降低海马 CA1 神经元和白质中 GSK3β 的总水平，降低活化的 pTyr216-GSK3β 的水平，并升高核 β-catenin。

（2）对喂养 LiO 的 3xTg 小鼠海马的 RNA-seq 分析显示，与翻译、电子传递链、神经变性途径、AD、β-catenin 降解和白细胞介素-1 信号转导等的基因下调，而与突触组织和信号转导、神经元投射形态发生和学习或记忆等的基因上调。

（3）相对于野生型小鼠，3xTg 小鼠表现出记忆力减退。最低剂量（4.3 μEq l-1）的 LiO 几乎完全逆转了小鼠的记忆丧失，而 LiC 和乳清酸钠对照组则没有显示出明显的效果。

（4）LiO 还能改善患有晚期淀粉样病变的老龄 J20 小鼠的学习和空间记忆。

六、Li 与大脑老化