阿尔茨海默病硫胺素代谢障碍损害认知功能相关的神经环路机制

Impaired cerebral glucose metabolism is an early and invariant feature of Alzheimer's disease (AD). Thiamine diphosphate, the active form of thiamine, is critical for brain glucose metabolism as the coenzyme of three key enzymes of intracellular glucose metabolism. Thiamine pyrophosphokinase (TPK) is the key enzyme responsible for converting thiamine into thiamine diphosphate. Based on our previously published and unpublished results, we hypothesize that altered thiamine metabolism due to the TPK inhibition is a major cause of perturbed cerebral glucose metabolism and plays a central role in triggering multiple pathogenic cascades in AD. Combining clinical studies of patients with mild cognitive impairment and AD, together with experimental studies of cultured neurons and animal (mouse and cynomolgus monkey) models, this project will use a combination of molecular, biochemical, morphological, electrophysiological, neuroimaging and behavioral assays to systematically explore the relationship between altered thiamine metabolism and perturbed cerebral glucose metabolism in AD, as well as the mechanism by which altered thiamine metabolism affects the morphology of dendritic spines, synaptic transmission and plasticity, and the function of cognition-related neural circuits. We hope that this project will contribute towards our understanding of AD pathogenesis, and towards developing new methods in AD diagnosis and treatment.

脑糖代谢障碍是阿尔茨海默病（AD）早期重要特征之一。焦磷酸硫胺素（TDP）是细胞内葡萄糖代谢主要通路中三个关键酶的共同辅酶，与糖代谢关系密切。硫胺素焦磷酸激酶（TPK）转换硫胺素为其活性形式TDP。在我们前期研究基础上，假设硫胺素代谢异常是AD脑糖代谢障碍的主要原因并损害认知相关神经环路，从而导致AD发病。本项目将建立TPK过表达和敲减/条件性敲除原代培养神经元与小鼠模型、以及化学诱导非人灵长类（食蟹猴）硫胺素代谢障碍模型，结合APP/PS1转基因小鼠模型，综合运用形态学、电生理学、生化和分子生物学等手段，系统阐述TPK功能低下导致硫胺素代谢异常对AD认知相关神经环路中海马和皮层神经元树突棘形态、突触传递和可塑性及相关认知功能的影响与作用机制。利用AD和轻度认知功能损害病例，通过神经影像学，研究硫胺素代谢异常与AD及其脑糖代谢障碍的关系。为寻找和发现具有自主知识产权的AD诊疗新方法奠定基础

阿尔茨海默病（AD，俗称老年性痴呆）脑葡萄糖代谢下降是与认知功能损害程度密切关联的临床前和早期病理生理标志，我们通过临床结合基础研究首次阐明其发生机制，发现AD脑葡萄糖代谢下降是由于作为细胞内葡萄糖代谢两条通路中三个关键酶的重要辅酶——二磷酸硫胺素（TDP）——异常减少所致，与脑内β-淀粉样蛋白（Aβ）沉积无关。进一步研究发现，AD患者TDP异常减少是由硫胺素单磷酸酶和二磷酸酶等非特异性磷酸酶活性增加导致的，与膜衰老有关，并诱发糖合酶激酶-3（GSK-3）活性增高、胰岛素抵抗、胶质细胞激活、微血管形成障碍等多级联病理生理反应，从而导致脑内Aβ沉积、Tau蛋白异常磷酸化、突触减少、神经元胞体皱缩和丢失等阿尔茨海默病病理特征发生。我们还发现，TDP异常减少通过抑制骨成形蛋白-9的表达导致基底前脑胆碱能神经元减少，损害学习和记忆功能。.基于上述研究结果，我们自主提出AD“膜衰老与能量代谢障碍”发病机制新假说，并据此构建包括细胞、具有多病理生理特征的小鼠和非人灵长类模型在内的新型AD转化医学研究平台和评价系统，开展全链条式新型诊断标志物和防治新药（靶标）研究。.诊断研究方面：我们发现AD患者全血TDP水平显著低于血管性痴呆、额颞痴呆及认知正常老年人群，对AD具有很高的诊断敏感性和特异性，是良好的AD外周诊断标志物。该团队还成功合成新型PET示踪剂[18F]氟代硫胺素，利用核酸适配体检测技术成功研制了可简便、低成本、适合于大规模人群筛选的新型TDP定量检测技术，为进一步临床研究奠定了坚实基础。.防治研究方面：我们开创了国际防治AD研究新方向，首次发现硫胺素衍生物——苯磷硫胺通过抑制GSK-3活性等多靶标机制显著改善AD模型小鼠的认知功能、减少脑内Aβ沉积及tau蛋白异常磷酸化。小样本、开放性临床观察研究发现，苯磷硫胺具有长期稳定甚至改善AD患者认知功能的作用，其机制独立于脑Aβ沉积。苯磷硫胺已经获得中国国家药品监督管理总局（CFDA）一类（化学类）新药临床批文，已经接近完成Ⅰ期临床研究，正在推进双盲、随机对照全国多中心临床研究。该药已于2016年1月先期在美国开展Ⅱ期临床研究。此外，我们还首次发现一个能阻止脑内胆碱能神经元退变的AD等痴呆的防治新靶标，正在开展进一步的临床前研究。