基于原位单细胞质谱技术的阿尔茨海默病相关化学小分子研究

The pathogenesis and biomarkers of alzheimer's disease (AD) is still not clear. A key question is what kind of changes in the chemical compositions of the neurons cause the transformation from normal brain aging to neurodegeneration. A variety of evidence indicate that small molecules in neurons play an important role in normal physiological functions and degenerative changes in neurons. However, many previous studies mainly focus on the large molecules, such as genes and proteins. In the process from healthy brain to AD, the changes of small molecules in neurons at single-cell level are still lack of in-depth and systematic research.. Recently, our group developed a singl-cell mass spectrometry technology provides a powerful means to directly solve the above problems. The kinds and amount of small molecules and its changes in single neurons have been detected using this method (Hongying Zhu,et al., PNAS, 2017). Therefore, this project will use this technology to study the changes of small molecules in single neurons during the process from healthy brain to AD and reveal the roles and mechanisms of these changed small molecules in the process. Then we will search related biomarkers for early diagnosis of AD, and explore the methods to prevent or delay the conversion from normal brain aging to neurodegeneration.

对于阿尔茨海默病（AD）发病机制和早期诊断生物标志物的研究目前不是很清楚。一个关键问题是，在AD的发病过程中到底哪些物质在神经元发生了变化使得其开始衰退？尽管多种证据表明，神经元内的化学小分子对细胞的生理功能以及退行性变化中起着重要的作用，然而目前大部分研究的对象仅限于基因、蛋白质等大分子或者组织匀浆中的化学小分子，对于AD过程中单细胞水平的化学小分子的变化仍然缺乏深入系统的研究。. 申请人刚研发的单细胞质谱技术为解决上述问题提供了直接有力的手段，通过该技术，我们可以原位快速和高通量的检测单个神经元内化学小分子的种类、含量及其变化（第一作者，PNAS, 2017）。因此，本项目拟通过该技术，在单细胞水平筛选在AD演变过程中发生变化的化学小分子，并探索这些化学小分子变化的原因，以及这种变化在AD演变过程中所起的作用，寻找与这些化学小分子相关的早期诊断分子标志物以及干预方法。

健康衰老已经是世界关注的问题，研究衰老及退行性疾病发生发展的机制，找出早期诊断的生物标志物以及干预的方式是解决这个问题的关键。神经元内的化学小分子对细胞的生理功能以及退行性变化中起着重要的作用，代谢物也是诊断标志物的主要来源，通过小分子代谢物干预治疗也是目前治疗各种疾病较为安全有效的方式。机体衰老是细胞衰老的结果，同时大脑细胞种类丰富、功能各异，为了更好的研究衰老及神经退行性病变的产生机制，需要在单细胞尺度上开展研究。.学习记忆能力的改变是脑衰老及相关神经退行性疾病发生的重要指标之一。研究表明谷氨酸是大脑内重要的神经递质，其含量的多少与学习记忆能力密切相关。然而，由于现阶段研究的技术的局限性，目前全世界对于脑内谷氨酸合成途径的研究几乎停滞。在本项目的资助下，申请人运用我们自主研发的原位单细胞质谱检测技术（PNAS，2017，第一作者），在脑内发现了一条全新的由组氨酸经过尿刊酸合成谷氨酸的代谢通路，并揭示了该通路与日光照射改善学习记忆以及运动记忆相关的行为学机制（Cell, 2018, 173, 1716-1727, 第一作者）。哈佛大学医学院教授、美国科学院院士Bernardo L. Sabatini在同期《Cell》对我们的工作发表发表评论说：“该研究非常有趣和令人兴奋，为一个长期被观察到的现象（日光照射改善情绪与学习记忆）揭示了令人着迷的机制，并为进一步的更令人兴奋的生物学发现奠定了基础”。该文章还被《科学》杂志子刊Science Signaling选为Editor’s Choice，并且被美国《科学家》、美国《新闻周刊》、美国科学促进会官方媒体EurekAlert等报道。.大脑中每个细胞在AD产生过程中可能都有不同作用，需要单细胞尺度上对细胞的衰老展开研究。因此我们首先研究衰老过程中细胞内代谢物的改变，项目资助期间我们构建了对衰老的细胞以及AD模型小鼠，并利用原位单细胞质谱及数对衰老的单个细胞以及AD模型小鼠海马脑区中单个神经元中代谢组学随着衰老及疾病进程的变化做了详细的研究，找出另外潜在可能的延缓衰老进程的代谢物。