阿爾茨海默病(AD)是一種廣泛的神經(jīng)退行性腦疾病，它影響著全球約4400萬人。雖然目前對AD的特征有了一定的了解，但多種分子和細胞變化機制仍不清楚。

最近，在細胞間發(fā)揮通信作用的細胞外囊泡(EV)正成為一種新的疾病治療熱點。已有研究表明，從腦組織和生物液體中分離出來的EV在AD中發(fā)生了改變，因此，從患者的生物體液或活檢樣本中捕獲細胞類型特異性EV，并對其進行分析，成為研究AD的一種新方法。

2022年，來自哈佛醫(yī)學院的研究團隊在Journal of Extracellular Vesicles（IF 21.224）發(fā)表了一篇題為“Human neural cell type-specific extracellular vesicle proteome defines disease-related molecules associated with activated astrocytes in Alzheimer's disease brain”的研究論文。文章利用labelfree蛋白組學和TMT蛋白組學研究了不同細胞類型中的EV的蛋白質組譜并鑒定出新的細胞類型特異性EV蛋白標記物，同時證明了細胞類型特異性EV在AD進展中發(fā)揮的重要作用，并可作為AD的潛在生物標志物。

研究材料
人類誘導多能干細胞(hiPSC)分化的神經(jīng)細胞，健康對照、輕度認知障礙患者和阿爾茲海默癥患者的腦組織

技術路線
· 步驟1：人類誘導多能干細胞(hiPSC)分化為四種類型的神經(jīng)細胞；
· 步驟2：分化的四種神經(jīng)細胞中提取胞外囊泡（EV）；
· 步驟3：四種神經(jīng)細胞EV蛋白質組的比較分析；
· 步驟4：細胞類型特異性EV中標志蛋白的確定；
· 步驟5：人類腦組織中分離的EV的蛋白質組學分析；
· 步驟6：細胞類型特異性EV蛋白共表達網(wǎng)絡的構建；
· 步驟7：M7模塊與激活的星形膠質細胞來源的EV和AD病理的相關性分析。

研究結果
1. 人類誘導多能干細胞的分化及分化有效性確認
作者首先用人類誘導多能干細胞(hiPSC)分化成四種神經(jīng)細胞類型：星形膠質細胞、小膠質細胞、神經(jīng)元和少突膠質細胞（圖1a），并通過RT-PCR和功能實驗進行分化有效性的驗證（圖1b-1f）。其次，采用非標記定量蛋白組學（label free）的方法對四種類型的細胞進行蛋白質譜分析，共鑒定到3206個蛋白（圖1g），組學結果發(fā)現(xiàn)四種分化神經(jīng)細胞分別對應的細胞類型特異性蛋白標志物的表達量均比較高，這進一步證明了hiPSC細胞分化的有效性（圖1h）。

圖1 hiPSC分化及分化有效性確認

2. hiPSC分化的神經(jīng)細胞中分離胞外囊泡并進行表征
作者從hiPSC分化的的四種類型的神經(jīng)細胞中分離胞外囊泡(EV)，使用NTA和TEM方法進行表征分析證明EV的純度（圖2a-2c）。針對胞外囊泡的非標記定量蛋白組學（label free）實驗，發(fā)現(xiàn)非EV的蛋白未在EV中檢測到，進一步證明了分離的EV的高純度（圖2d-2e）。同時根據(jù)質譜結果，作者篩選到了16個在四種分化神經(jīng)細胞中均同時表達的蛋白，即烯醇酶1（ENO1）、熱休克蛋白（HSPA8）、Ras相關蛋白（RAB7A）、整聯(lián)蛋白ITGB1、膜聯(lián)蛋白(含ANXA1、2、5、6)、基礎免疫球蛋白（BSG）、一類過氧化物酶（含PRDX1、2）、前列腺素F2受體負調節(jié)因子（PTGFRN）、皮離蛋白（DCD）、CD59和ACTB、GAPDH（圖2g）。

圖2 hiPSC分化的神經(jīng)細胞中分離胞外囊泡

3. 神經(jīng)細胞類型特異性EV蛋白質組的比較
為了確定四種神經(jīng)細胞分離的胞外囊泡蛋白組成的差異，作者比較了囊泡蛋白的豐度，PCA和相關系數(shù)結果顯示不同EV蛋白組成具有細胞類型特異性（圖3a-3b）。根據(jù)聚類分析結果篩選到了不同細胞類型特異性的差異表達EV蛋白（圖3c）,他們參與了不同的生物過程（GO_BP）和KEGG通路（圖3d），如星形膠質細胞特異的EV蛋白主要富集在與細胞外基質相關的生物學過程（包括細胞粘附、細胞外基質(ECM)受體相互作用和整合素介導的信號轉導）以及生物代謝相關通路（包括糖酵解、丙酮酸代謝過程、膽固醇穩(wěn)態(tài)、氨基酸的生物發(fā)生和碳代謝）。

圖3 hiPSC分化的細胞類型特異性EV蛋白組的比較分析

4. hiPSC分化的細胞類型特異性EV中標志蛋白的確定
由于EV蛋白在不同的hiPSC分化神經(jīng)細胞中具有細胞類型特異性，故作者進一步篩選特定的特異性蛋白作為腦源EV的細胞類型特異性生物標記物。通過初步篩選（圖4a-b）和驗證實驗(圖4c-4d)，最終確定將NCAM1, ATP1A3作為神經(jīng)元EV的標志物, LRP1, ITGA6, EAAT1作為星形膠質細胞EV的標志物, LCP1作為小膠質細胞EV的標志物, LAMP2, FTH1和 MOG 作為少突膠質細胞EV標志物。

圖4 細胞類型特異性EV中標志蛋白的鑒定

5. 人類腦組織中分離的胞外囊泡的蛋白質組學分析
為了加強蛋白組學的研究發(fā)現(xiàn)以及探索其潛在的臨床應用，作者對30個人（包括11名健康對照(HC)、8名輕度認知障礙患者(MCI)和11名AD患者）的腦組織EV進行了TMT標記定量蛋白組學分析（圖5a），共鑒定到4286個腦源性EV蛋白（其中2645個為共有蛋白），差異比較分析篩選到242個顯著改變的蛋白（圖5c）。此外，作者篩選到了多個疾病特異性差異表達蛋白，為區(qū)分從HC、MCI和AD大腦中分離出來的EV提供了可能（圖5e）。

圖5 30例人腦組織中分離出的EV的蛋白組學分析

6. 細胞類型特異性的EV蛋白共表達網(wǎng)絡的構建
已知WGCNA(加權基因共表達網(wǎng)絡分析)可用于確定神經(jīng)退行性疾病相關的關鍵分子途徑和潛在治療靶點，作者利用2645個共有蛋白構建了一個AD EV的WGCNA共表達網(wǎng)絡（圖6a）并將其與AD的三個神經(jīng)病理特征（臨床癡呆、斑塊負荷、神經(jīng)纖維纏結負荷）進行關聯(lián)分析，結果表明M7模塊（與質膜的固有成分相關）與AD病理特征成正相關 (圖6b）。
進一步對細胞類型標志物在每個共表達模塊中的富集情況進行分析，發(fā)現(xiàn)在M7模塊顯著富集星形膠質細胞EV標記物，且與AD性狀顯著正相關，意味著星形細胞來源的EV蛋白標志物或許可作為AD的生物標志物（圖6c）。此外，作者還根據(jù)疾病狀態(tài)測量模塊特征蛋白值預測可能影響MCI到AD變化的EV蛋白（圖6d）。

圖6 腦源EV蛋白共表達網(wǎng)絡的構建

7. M7/星形膠質細胞模塊在激活的星形細胞來源的EV標記物中富集，并與AD病理相關
上述結果可以看出M7模塊表現(xiàn)出與AD特征（圖6b）和星形膠質細胞來源的EV的關聯(lián)性最強（圖6c），作者進一步驗證了M7模塊是否與激活的星形膠質細胞來源的EV相關。結果顯示M7模塊在有活性的星形膠質細胞來源的EV中顯著富集（此部分定義為M7/星形膠質細胞模塊）（圖7a），且與前10個中心蛋白（與AD癥狀相關）發(fā)生密切的相互作用（圖7b）。此外，為了進一步驗證來自M7星形細胞模塊的EV蛋白是否與AD病理相關，作者利用IP實驗在5名HC和5名AD患者中驗證了活性星形膠質細胞來源的EV標志物與M7模塊中的中心蛋白(ITGB1)的相互作用（圖7e-7g）。上述結果表明在AD發(fā)病機制中，M7星形膠質細胞模塊中的EV蛋白共表達網(wǎng)絡發(fā)揮主導作用，鑒定出的M7 EV蛋白(如ITGB1)，特別是在星形細胞特異性EV中，可作為潛在的AD生物標志物。

圖7 M7模塊在激活的星形膠質細胞來源的EV標記物中富集，并參與AD病理過程

小編小結
在本研究中，作者使用labelfree非標記定量蛋白組學方法分析了hiPSC來源的四種不同神經(jīng)細胞類型(neuron、iAstrocytes、iMGL和iOligos)中分離出的胞外囊泡（EV）的蛋白質譜。利用這些獨特的蛋白質組數(shù)據(jù)集，共鑒定出16種通用蛋白作為新的腦泛EV標志物候選蛋白。對神經(jīng)細胞類型特異性EV蛋白進行表征，這些蛋白可作為腦細胞類型特異性EV分離的潛在標記物。此外作者使用TMT標記定量蛋白組學對AD、MCI和HC腦源性EVs進行分析，并結合WGCNA的方法利用細胞類型特異性EV蛋白生成了AD腦源性EV蛋白共表達網(wǎng)絡。

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