Выявление излечимых причин AD требует фундаментального понимания патогенетических процессов, приводящих к потере памяти. Несмотря на значительный прогресс, достигнутый в определении вариантов генов, которые повышают риск развития AD факторы окружающей среды, влияющие на сроки возникновения заболевания, изучены не так хорошо.^1,6 Было выявлено несколько факторов, связанных с питанием, образом жизни и окружающей средой, но их вклад в патогенез AD неясен^1,6,7. Одним из таких факторов является нарушение гомеостаза металлов.^7-12 Эти исследования были сосредоточены главным образом на токсическом воздействии таких металлов, как железо, медь и цинк, которые могут способствовать агрегации β-амилоида (Aβ), фосфорилированию tau-белка или окислительному стрессу в модельных системах^6-12. Однако металлы также играют важную роль в функционировании мозга, и нарушения этой нормальной физиологии при AD относительно не изучены.

Чтобы изучить роль ионного гомеостаза металлов при AD мы использовали inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP–MS) для оценки содержания 27 металлов в головном мозге и крови пожилых людей без когнитивных нарушений (NCI) и лиц с амнестическим MCI или AD. Уровни металлов определялись в префронтальной коре (PFC), которая является наиболее пораженной областью при AD и в мозжечке, который относительно не затронут. Из всех обследованных металлов только один, Li, показал значительно сниженные уровни в PFC у лиц как с MCI, так и с AD (рис. 1a,b и дополнительная таблица 1). Среднее и медианное соотношение Li коры головного мозга к сыворотке крови и общему кортикальному Li были значительно снижены в PFC у людей с MCI и AD (рис. 1c, d), но не в мозжечке (расширенные данные рис. 1a,b). Во второй независимой когорте уровни Li также были значительно снижены в PFC у людей с AD (рис. 1e). Напротив, средние уровни Li в сыворотке крови при MCI и AD существенно не отличались от контрольных показателей (расширенные данные, рис. 1c). В этом исследовании пол или интервал между посмертными исследованиями существенно не влияли на уровень Li (см. Методы). Соотношение содержания некоторых других металлов в коре головного мозга и сыворотке крови также изменялось при AD, но не при MCI (рис. 1a,b и дополнительная таблица 1). Однако изменение содержания Li показало наименьшее скорректированное значение P из всех проанализированных металлов (рис. 1б). В совокупности эти результаты указывают на то, что гомеостаз эндогенного Li в головном мозге нарушается при MCI и AD.

Затем мы исследовали, может ли эндогенный гомеостаз Li в головном мозге быть нарушен патологией AD. Предыдущие исследования предполагали взаимодействие нескольких металлов с Aβ^8,9. Чтобы определить, влияет ли отложение амилоида на распределение Li, мы провели лазерную абсорбцию (LA)-ICP–MS и количественно определили содержание Li в амилоидных бляшках по сравнению с участками лобной коры, свободными от бляшек. В каждом случае MCI и AD была обнаружена очень значительная концентрация Li в бляшках Aβ, которая увеличивалась от MCI к AD (рис. 1f). Чтобы дополнить этот анализ in situ, образцы PFC были разделены на нерастворимую фракцию, обогащенную бляшками, и растворимую фракцию, лишенную амилоидных бляшек (дополнительный рис. 1). Средний и медианный уровни Li во фракции PFC, не содержащей бляшек, были значительно снижены при AD по сравнению с контрольными случаями NCI (рис. 1g). Кроме того, более низкие уровни Li во фракции коры, не содержащей бляшек, коррелировали со снижением результатов когнитивных тестов на эпизодическую и семантическую память, а также глобального индекса когнитивных функций у всего стареющего населения (дополнительная таблица 2). У пациентов с AD более низкие уровни Li в корковой фракции, не содержащей бляшек, коррелировали со снижением показателей эпизодической памяти и индекса глобальной когнитивной функции (дополнительная таблица 2).

Для дальнейшего изучения взаимосвязи Li с Aβ мы исследовали кортикальное распределение эндогенного Li у трансгенных мышей - предшественников белка J20 Aβ (App)¹³, которые демонстрируют широкое отложение Aβ. LA-ICP–MS показал приблизительно 3-4-кратную концентрацию Li в кортикальных отложениях Aβ у 12-месячных мышей J20 по сравнению с соседними областями коры, свободными от бляшек (расширенные данные, рис. 1d). Кроме того, субфракционирование коры показало, что содержание Li в корковой фракции, не содержащей бляшек, было значительно снижено у J20 мышей по сравнению с мышами дикого типа, что согласуется с секвестрацией Li отложениями амилоида (расширенные данные, рис. 1е). Напротив, у 3-месячных мышей J20 до начала отложения амилоида не наблюдалось снижения содержания Li в растворимой кортикальной фракции по сравнению с аналогичными по возрасту мышами дикого типа (расширенные данные, рис. 1е). В совокупности эти результаты указывают на то, что Li связывается отложениями Aβ, снижая его биодоступность. ..

Эти наблюдения указывают на физиологическую роль эндогенного Li, который влияет на старение мозга и склонность к AD. У людей Li используется в психиатрии для лечения биполярного расстройства в дозах, которые повышают его уровень в сыворотке крови примерно в 1000 раз по сравнению с эндогенным уровнем. Мы обнаружили, что у нормально стареющих мышей низкие микромолярные уровни эндогенного Li сохраняют когнитивные функции, уменьшают воспаление и подавляют выработку Aβ. В моделях на мышах с AD эндогенный Li защищает от отложения амилоида, гиперфосфорилирования tau, нейровоспаления и потери синапсов, аксонов и миелина. Эти эффекты опосредуются, по крайней мере частично, подавлением киназы GSK3β во многих типах клеток головного мозга.

Металлометрическое профилирование мозга также выявило изменения в других металлах, которые ранее наблюдались при AD такие как повышенное содержание натрия²⁵ и цинка²⁶ и пониженное содержание меди¹². Однако снижение уровня кортикального Li было единственным статистически значимым изменением содержания металлов, наблюдаемым как при MCI, так и при AD в нашем наборе данных. Это наблюдение согласуется с результатами популяционного исследования, проведенного в Дании, которое выявило значительную обратную корреляцию между уровнями Li в местной питьевой воде и заболеваемостью деменцией²⁷. Мы смогли подытожить снижение уровня Li, наблюдаемое у людей с AD на мышиных моделях с диетой с дефицитом Li. snRNA-seq показал, что снижение уровня Li в коре головного мозга значительно изменяет транскриптом основных типов клеток головного мозга. Более того, DEG, ассоциированные с дефицитом Li в мышиных моделях, совпадали с DEG, ранее идентифицированными в snRNA-seq биоптатов головного мозга человека с патологией AD¹⁵. Перекрывающиеся DEG были обогащены микроглией, возбуждающими и тормозящими нейронами, OPC, олигодендроцитами, эндотелиальными клетками и астроцитами. В соответствии с этими изменениями в транскриптоме дефицит Li приводил к пагубному воздействию на нейроны, микроглию и олигодендроциты с потерей синапсов и аксонов, нарушением клиренса Aβ и снижением миелинизации.

Дефицит Li изменяет экспрессию в микроглии некоторых из наиболее распространенных генов - факторов риска, выявленных в исследованиях GWAS при AD включая Apoe, Trem2, Bin1, Picalm, Clu, Cd33 и мышиные ортологи человеческого MS4A6A17. Эти изменения экспрессии были связаны с повышенным уровнем маркеров активации микроглии, таких как CD68, а также с повышенной продукцией множества провоспалительных цитокинов и хемокинов, которые также повышены при AD²⁸. Кроме того, дефицит Li нарушает способность микроглии к фагоцитозу и деградации Aβ, фенотип, который был связан с отложением Aβ при AD²⁹. Эти данные указывают на то, что эндогенный Li поддерживает гомеостатическую функцию микроглии и предотвращает провоспалительные изменения, связанные с AD.

Одной из первых молекулярных мишеней Li, которая была охарактеризована в фармакологических дозах, была киназа GSK3β³⁰. Активность GSK3β повышается при AD и связана с патологией Aβ и tau-белка ^18,20,21,31. Кроме того, уровень β-катенина, субстрата GSK3β, снижается при AD ^18,32,33. Зарегистрированные IC50 взаимодействия β in vitro находится в миллимолярном диапазоне³⁰, что делает это взаимодействие маловероятным при низких микромолярных концентрациях эндогенного Li в головном мозге. Однако наши результаты показывают, что активация и экспрессия GSK3β повышаются при эндогенном дефиците Li. Более того, ингибиторы GSK3β могут обратить вспять многие патологические последствия дефицита Li, включая отложение Aβ, накопление фосфо-tau, миелинизацию и провоспалительную активацию микроглии, а также восстановление способности микроглии выводить Aβ. Предыдущие сообщения показали, что активация GSK3β может способствовать выработке цитокинов в моноцитарных клетках и клетках микроглии³⁴ и нарушать дифференцировку олигодендроцитов и миелинизацию путем ингибирования передачи сигналов β-катенином³⁵. В совокупности наши результаты указывают на повышенную активность GSK3β в мультисистемных эффектах дефицита Li в головном мозге.

Было показано, что лечение Li в фармакологических дозах уменьшает патологию Aβ^33,36-45 и tau^37-49 при различных моделях нейродегенеративных заболеваний. Аналогичным образом, Литий предотвращал или обращал вспять снижение когнитивных способностей в нескольких исследованиях^36-39,43,44, но не в одном краткосрочном исследовании⁴⁷. Более прямые доказательства терапевтической роли Лития при AD были получены в ходе нескольких небольших клинических испытаний. В двух первоначальных испытаниях^50,51 лечение Li не улучшало когнитивные функции, но в трех последующих испытаниях Li в более низких концентрациях (0,25–0,5 mEq l^-1 в сыворотке крови) уменьшало снижение когнитивных функций ^52-55. Ограничением этих клинических испытаний могло быть использование солей лития с высоким уровнем связывания с амилоидом. Мы охарактеризовали соль лития, оротат лития (LiО), с пониженным связыванием, что позволяет избежать связывания амилоида в мышиных моделях с AD. Лечение LiО в дозе, поддерживающей уровни сывороточного и кортикального Li в эндогенном диапазоне, предотвращает и обращает вспять патологию AD нейровоспалительные изменения и потерю памяти у мышей с AD и стареющих мышей дикого типа. Важным ограничением при лечении пожилых людей фармакологическими дозами лития является токсичность для почек и щитовидной железы⁵⁶. Отрадно, что после длительного лечения стареющих мышей низкой дозой лития токсичность не была выявлена.

Нарушение гомеостаза Li может способствовать длительному продромальному периоду нейропатологических изменений, которые происходят до начала клинической стадии AD. Наши результаты показывают, что связывание Li амилоидом приводит к истощению Li в пораженных областях мозга. Дефицит Li, в свою очередь, может ухудшить выведение A?β из микроглии, что может привести к развитию амилоидной патологии по принципу положительной обратной связи. Параллельно дефицит Li может способствовать накоплению phospho-tau, воспалению и потере синапсов, аксонов и миелина. На прогрессирование этого нейродегенеративного процесса могут влиять генетические варианты^17,57, а также факторы окружающей среды и потребление Li с пищей. Таким образом, дефицит Li является потенциально распространенным механизмом мультисистемной дегенерации головного мозга, которая приводит к развитию AD.