類澱粉斑塊（amyloid plaque）組成的類澱粉 β 胜肽（amyloid-β peptide），其最常見的異型體（isoform）有 40 胺基酸（Aβ40）與 42 胺基酸（Aβ42）兩種。此兩種異型體時常以三種不同的構造形態呈現：單聚物（monomer）、寡聚物（oligomer）和纖維狀（fibers）。過去曾有研究指出，Aβ42 寡聚物較 Aβ40 更易使得細胞膜形成離子通道（ion channel），促使細胞鈣離子體內失衡 [1]。然而科學界眾所皆知「毒的類澱粉 β 胜肽」假說，仍需釐清類澱粉 β 胜肽是如何影響細胞膜。本篇英國科學家們透過顯微鏡展開一連串觀察，以微觀角度揭開阿茲海默症另一層面紗。
首先，作者先用原子力顯微鏡觀察類澱粉 β 胜肽與脂雙層膜的交互作用，研究團隊發現比起單聚物與纖維狀兩種型態，寡聚物更易使得脂雙層產生界面活性劑效果而斷開脂雙層；將人造脂雙層膜建立在雲母上（mica-supported lipid bilayers），暴露在 Aβ42 寡聚物情況下，結果發現寡聚物打亂了脂雙層原先的排列，較遠的一端多處有脂質的堆積，推測是由較近端的脂雙層發散而來（圖一）。
圖一、（a-d）原子力顯微鏡觀察人工脂雙層膜與類澱粉 β 胜肽之邊界。（e）加入不同型態的類澱粉 β 胜肽後，脂雙層比例與人造脂雙層膜邊界距離之關係圖。
圖片來源：https://doi.org/10.1074/jbc.AC118.007195
作者更進一步的觀察，發現 Aβ42 寡聚物能使人造脂雙層膜形成跨膜般的孔洞，直徑高達 50 nm 比介於 1.7-2.4 nm 的離子通道孔徑大的許多（圖二）。Aβ42 纖維狀則較少有這樣的孔洞出現，推測可能在製備 Aβ42 纖維狀時有少量的 Aβ42 寡聚物混雜。這些數據都顯示 Aβ42 寡聚物可能具備將脂質從膜上提取出，而破壞細胞膜的能力。 此發現解釋了脂質為何會堆積在類澱粉 β 斑塊附近。
圖二、原子力顯微鏡觀察人造脂雙層膜加入 Aβ42 寡聚物後，比較膜上孔洞的孔徑大小。
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此外，研究團隊也發現，相比 Aβ40 和 Aβ42 單聚物，Aβ42 纖維狀會嵌入脂雙層的上層，非僅駐留在脂雙層具極性的那側。透過原子力顯微鏡也發現人造脂雙層膜高度約佔 4.6±0.1 nm，單純的 Aβ42 纖維狀高度則有 5.3±0.1 nm；再進一步觀察實驗結果圖中，位於雲母上帶有人造脂雙層，某些含 Aβ42 纖維狀的部位則突出 2.5±0.05 nm，顯示此 Aβ42 纖維狀鋪蓋在上，也未整個將脂雙層置換掉的現象是確實存在的（圖三）。另一方面，作者發現 Aβ42 寡聚物是完整的嵌入脂雙層膜中，雲母中帶有 Aβ42 寡聚物的位置與單純僅脂雙層的位置，由原子力顯微鏡所觀察到的高度是一致的，再次證明 Aβ42 寡聚物會將膜上的脂質提取出來（圖四）。
圖三、原子力顯微鏡觀察人造脂雙層膜加入Aβ42纖維狀後能嵌入脂雙層。
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圖四、原子力顯微鏡觀察人造脂雙層膜加入Aβ42寡聚物後，具備完整嵌入脂雙層的能力。
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為了進一步了解類澱粉 β 胜肽與脂雙層相互作用關係，作者使用大型單層囊泡（large unilamellar vesicles）來進行試驗，一種屬於微脂體、且可以模擬生物細胞膜上環境的脂質膜 [2]。結果發現 Aβ42 寡聚物清楚地將囊泡的形狀破壞，並使脂雙層結構產生斷裂；Aβ42 纖維狀則些微的使囊泡表面形成彎曲狀（圖五）。
圖五、穿透式電子顯微鏡觀察不同狀態的類澱粉β胜肽與脂質囊泡相互作用關係。
圖片來源：https://doi.org/10.1074/jbc.AC118.007195
過去研究多著重在 Aβ42 寡聚物可藉由形成筒狀的離子通道來破壞細胞膜的表面，Aβ40 寡聚物則無法，這些結果都導向 Aβ42 較易使神經細胞產生毒性 [1]。然而本篇文章則發現類澱粉 β 胜肽除了產生離子通道外，另一種影響細胞膜的機制—具有界面活性劑的功能來破壞細胞膜，使膜與膜之間斷裂。若能避開 Aβ 寡聚物嵌入細胞膜內而影響神經細胞的內部平衡，有助於神經科學界對阿茲海默症的治療與預防有更深的認識。
Main article：
Bode, D. C., Freeley, M., Nield, J., Palma, M., & Viles, J. H. (2019). Amyloid-β oligomers have a profound detergent-like effect on lipid membrane bilayers, imaged by atomic force and electron microscopy. Journal of Biological Chemistry, 294(19), 7566-7572. https://doi.org/10.1074/jbc.ac118.007195
參考文獻：
- Bode, D. C., Baker, M. D., & Viles, J. H. (2017). Ion channel formation by amyloid-β42 Oligomers but not amyloid-β40 in cellular membranes. Journal of Biological Chemistry, 292(4), 1404-1413. https://doi.org/10.1074/jbc.m116.762526
- Darley, E., Singh, J. K., Surace, N. A., Wickham, S. F., & Baker, M. A. (2019). The fusion of lipid and DNA nanotechnology. Genes, 10(12), 1001. https://doi.org/10.3390/genes10121001
關鍵字：阿茲海默症、類澱粉蛋白、斑塊
撰文｜林潔芯
審稿｜李柏萬
