浴血圍城的秘密：APOE4導致血腦屏障受損及認知功能異常

失智症依病因可簡單分為神經退化性、血管性及其他因素導致的續發性失智症。阿茲海默氏症（Alzheimer’s disease，AD）屬於神經退化性失智症，以腦中沉積 β 類澱粉斑塊（amyloid β plaque，Aβ plaque）及神經纖維纏結（neurofibrillary tangles，纏結中含有過度磷酸化的 Tau 蛋白）為主要病徵。雖然 AD 的病生理機制著重於研究 Aβ 與 Tau 蛋白的角色，但近十年來的研究指出，AD 的病生理機制不完全僅歸因於 Aβ 與 Tau 蛋白引起的神經退化。由 AD 患者的腦部影像、驗屍報告以及臨床檢驗報告等一系列的研究結果指出，近 80% 的 AD 患者具有腦血管病變 [1]，其中一種是大腦類澱粉血管病變（cerebral amyloid angiopathy），此種病變是造成血腦屏障（blood-brain barrier，BBB）破損的主要原因之一 [2-3]。臨床研究指出，BBB 破損是 AD 病程早期及認知功能障礙的生物指標 [4]；臨床前動物模型也發現，血管生物標記變化出現的時間點早於認知功能下降，且 BBB 破損可能與 AD 患者的認知功能低落有關 [4-5]，這些發現使血管因素在失智症和阿茲海默氏症中的角色日益受到重視。

腦部的微血管是由單層內皮細胞（endothelial cell）構成，這些內皮細胞缺乏窗孔（fenestration）[註1]，且細胞之間由緊密連接（tight junction）蛋白相連，而內皮細胞的管壁側被basement membrane）、外被細胞（又譯周細胞，pericyte）與星狀膠細胞（astrocyte）的終足（end-feet）所包圍，這些細胞連同基底膜，形成了選擇性通透性的 BBB （圖一），可限制血液中的大分子與細胞穿透進入腦實質。其中，外被細胞負責維持 BBB 的完整性 [6] 、血管新生（angiogenesis）、調節腦血流、吞噬作用（phagocytosis）及協助清除廢物 [7] 。由外被細胞的生理功能可合理推論，外被細胞受損將使 BBB 完整性受損，這使血液中的物質可進入大腦，或腦中的物質流入血液；另一方面，外被細胞的喪失或退化將不利於大腦清除異常沉積物並使腦血流下降，因此可能加劇神經發炎反應及神經退化。臨床研究指出，AD 患者腦中的外被細胞的確出現了缺失或退化的現象 [8-10]。

南加州大學的Berislav Zlokovic教授團隊致力於研究 BBB 受損在 AD 病程發中演角。先前研究指出，載脂蛋白E4（apolipoprotein E4；APOE4）是偶發性阿茲海默氏症（Sporadic AD）主要的易感基因，而且 APOE4 會加速 BBB 的破壞及造成外被細胞的退化 [11]。然而 APOE4 及人類認知功能的關聯尚不清楚。因此 Berislav Zlokovic 團隊針對245位年齡 ≥45 歲、認知正常或處於最早期 AD 的受試者進行神經精神評估、血液及腦脊髓液（cerebrospinal fluid；CSF）採集，並評估受試者的BBB 破壞程度及 Aβ 和Tau蛋白的沉積情形。受試者被分成 APOE4「攜帶者」（ε3/ε4, ε4/ε4）和 APOE4「非攜帶」者（ε3/ε3；APOE3）[註2]。

研究結果發現，相較 APOE4 非攜帶者，APOE4 攜帶者的BBB破壞會從海馬迴及顳葉內側（要負責憶編及認功能開始發生，且程度更嚴重。在控制了年齡、性別、教育、類澱粉蛋白或 Tau 蛋白的因素後，BBB 破壞的程度越高，APOE4 攜帶者認知功能異常也會隨之惡化，且 BBB 的破壞會比大腦萎縮更早發生。上述關聯在 APOE4 非攜帶者則不明顯。由腦影像的結果發現，APOE4 攜帶者的海馬迴及顳葉內側 BBB 受損 與 Aβ 類澱粉蛋白或 Tau 蛋白的病徵無關，且影響記憶編碼及認知功能的腦區（圖二）。

接著，團隊研究受試者的 CSF 生物標記和認知功能關係。可溶性血小板源性生長因子受體β（Soluble platelet-derived growth factor receptor β；sPDGFRβ）是腦血管外被細胞受損的生物標記，且 CSF的 sPDGFRβ 濃度與人類和動物 BBB 受損和認知功能異常有正相關 [12-14]。研究團隊依照起始的 CSF PDGFRβ 濃度把受試者分成高（600-2000 ng/mL）低（0-600 ng/mL）兩群，並每隔2年追蹤其認知功能。結果發現 CSF sPDGFRβ 起始濃度高的受試者，認知功能在4.5年後追蹤時顯著惡化 （圖三） ，且與阿茲海默症類澱粉蛋白或Tau蛋白致病病理無關。

另外，團隊進行橫斷性研究也發現 APOE4 攜帶者的 CSF sPDGFRβ 濃度越高，認知功能異常越嚴重，且 APOE4 攜者的 CSF sPDGFRβ 濃度與海馬迴及顳葉內側的 BBB 受損、CSF 中 BBB 受損的生物標記有正相關。在「非攜帶」者則未發現這個關聯。由此可知，APOE4 攜帶者的 CSF sPDGFRβ 濃度可以預測未來認知功能異常的發生，且其腦血管外被細胞受損和認知功能異常有關。

下一步，研究團隊試著解釋 APOE4 如何造成 BBB 破壞。在先前的研究中，攜帶APOE4 老鼠的外被胞會透 cyclophilin A （CypA）-matrix metalloproteinase 9（MMP9）發炎路徑的活化，造成 BBB 破壞及神經功能異常。團隊發現APOE4 攜帶者，CSF 的 CypA 及 MMP9 濃度越高，認知功能越差，且 sPDGFRβ 濃度也越高，但在非攜帶者則未發現這個關聯。在非攜帶 APOE4 的老鼠上，已發現 CypA 發炎路徑會被低密度脂蛋白受體相關蛋白1（low-density lipoprotein receptor-ralated protein 1；LRP1）抑，從而抑制 MMP9 轉錄 [15]。團隊發現攜帶 APOE4 的人類幹細胞，比非攜帶 APOE4 的細胞有更高的 CypA 及 MMP9 濃度。ApoE4 可能透過活化 CypA-MMP9 發炎路徑，導致神經受損及惡化認知功能（圖四）。

總結來說，此篇研究發現：APOE4 攜帶者的 BBB 破壞和認知功能異常有關，且與阿茲海默症傳統類澱粉蛋白或 Tau 蛋白致病路徑無關；APOE4 攜帶者的 CSF sPDGFRB 濃度和認知功能的退化有關，此結果表示外被細胞受損的 CSF 生物標記可預測 AD 患者的認知功能；就機制的部分而言，APOE4 攜帶者會表現 ApoE4 蛋白， 藉由 ApoE4活化 CypA-MMP9 發炎路徑，這可能造成 BBB 破壞和神經功能受損。在動物實驗中發現抑制 CypA 可以恢復神經及突觸的功能 [15]，因此未來的研究方向可以朝在 APOE4 攜帶者上測試 CypA 抑制劑能否改善腦血管完整性、恢復神經及突觸的功能，進而達到減緩認知功能異常的效果進行深入探討。

註1：皮細胞有連型（無孔）、窗孔型與不連續型三種。窗孔是指穿透細胞的圓形或卵圓形孔洞，通常分布在血管內外之間需要高交換率的內皮細胞，如腎絲球，或是 BBB 較薄弱之處的內皮細胞，如需要偵測血液中有害物質的嘔吐中樞。

註2：人類的 APOE 基因位於第19對染色體上，有三種等位基因（allele）型態: ε2、ε3、ε4。APOE 基因由於兩種單苷酸多型性(single-nucleotide polymorphisms，SNP): rs429358 (C > T) 和 rs7412 (C > T) ，導致 ApoE 蛋白在第 112 和 158 位置的胺基酸發生變化，最後產生三種亞型的 ApoE 蛋白: ApoE2 (Cys112, Cys158), ApoE3 (Cys112, Arg158)及 ApoE4 (Arg112, Arg158)。

Main Article:

Montagne, A., Nation, D. A., Sagare, A. P., Barisano, G., Sweeney, M. D., Chakhoyan, A., Pachicano, M., Joe, E., Nelson, A. R., D’Orazio, L. M., Buennagel, D. P., Harrington, M. G., Benzinger, T. L. S., Fagan, A. M., Ringman, J. M., Schneider, L. S., Morris, J. C., Reiman, E. M., Caselli, R. J., Chui, H. C., … Zlokovic, B. V. (2020). APOE4 leads to blood-brain barrier dysfunction predicting cognitive decline. Nature, 581(7806), 71–76. https://doi.org/10.1038/s41586-020-2247-3

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撰文｜楊陞

審稿｜劉姿婷