TSPO PET binding in vivo reflects increased phagocytic microglia at post mortem in people with frontotemporal dementia

기술 요약: 전두측엽 치매에서 TSPO PET 결합은 증가된 포식 작용 미세아교세포를 반영함

문제 제기
뇌 염증은 전두측엽 치매(FTD)의 특징이며, [¹¹C]PK11195와 같은 리간드를 이용한 TSPO PET 영상은 신경 염증의 in vivo 대리 지표로 널리 사용된다. 그러나 상승된 TSPO 신호의 세포적 기초에 대해서는 논란이 있다. 신호가 미세아교세포의 활성화를 반영하는지, 성상세포의 병리적 변화를 반영하는지, 혈관 변화를 반영하는지, 혹은 이들의 조합인지는 불분명하다. 더욱이, 미세아교세포가 세포당 TSPO를 과발현한다는 기존의 패러다임은 신호가 대신 세포 밀도의 증가나 특정 표현형 상태를 반영할 수 있음을 시사하는 최근의 사후 연구들에 의해 도전받고 있다. 본 연구는 이질적인 FTD 하위 유형(FTLD-tau 및 FTLD-TDP)에 걸쳐 in vivo PET 결합과 사후 신경병리학을 직접 상관 분석함으로써 FTD에서 TSPO PET 신호 상승의 세포 기원을 규명하고자 한다.

방법론
본 연구는 15명의 임상병리학적 코호트를 활용하였다(10명의 FTD 환자[5명의 FTLD-tau 및 5명의 FTLD-TDP 포함, MAPT, C9orf72, GRN 변이 보유자 포함]와 5명의 연령 및 성별 매칭 대조군).

• In Vivo 영상: 모든 FTD 환자는 생전에 [¹¹C]PK11195 TSPO PET 스캔과 구조적 MRI 촬영을 받았다. 17개의 피질, 피질하, 뇌간 및 소뇌 영역에서 결합 잠재량(BPND)을 계산하였다.
• 사후 분석: 뇌 조직은 케임브리지 브레인 뱅크(Cambridge Brain Bank)에 기증되었다. 조직은 포르말린 고정 및 파라핀 매립 과정을 거쳤다.
  • 면역조직화학법 (IHC): 포식 작용 미세아교세포 부담을 평가하기 위해 CD68 면역조직화학법을 17개 영역에서 정량화하였다.
  • 다중 면역형광법: 각 대상자당 두 세트의 인접 슬라이드를 준비하여 TSPO와 특정 세포 마커를 결합하였다(세트 1: IBA1, CD68, TSPO / 세트 2: GFAP, CD31, TSPO).
  • 3D 단일 세포 재구성: 공초점 현미경과 Imaris 소프트웨어를 사용하여 개별 IBA1+ 미세아교세포를 재구성하고 세포 내 TSPO 및 CD68 부피를 정량화하였다.
• 통계 모델링: 대상자 수준의 무작위 효과와 지역적 변이를 고려하여 PET 결합과 사후 마커 간의 관계를 분석하기 위해 선형 혼합 효과 모델(LMEM)을 채택하였다.

주요 결과

1. FTD에서 증가된 포식 미세아교세포: CD68 부담(면적 분율)은 대조군에 비해 FTD 환자에서 유의하게 높았다. 이 상승은 주로 피질과 소뇌의 백질 영역에서 주도되었으며, 피질 회백질에서는 유의한 차이가 발견되지 않았다.
2. TSPO PET과의 상관관계: 모든 FTD 환자에서 in vivo TSPO PET 결합(BPND)과 사후 CD68 면적 분율 사이에 강한 양의 상관관계가 있었다 ($\beta = 8.40, P < 0.001$). 이 관계는 FTLD-tau 및 FTLD-TDP 하위 유형 모두에서 유효했으며, 두 병리 간의 기울기 차이는 유의하지 않았다.
3. TSPO 신호의 세포 특이성:
   • 공존 발현(Co-localization): FTD에서 TSPO 면적 분율이 상승했으나, TSPO와 CD68(포식 미세아교세포) 및 IBA1(미세아교세포/대식세포)의 특정 공존 발현은 대조군보다 FTD에서 유의하게 높았다. 성상세포(GFAP) 및 내피세포(CD31) 마커와의 공존 발현은 보정 후 통계적 유의성에 도달하지 못했다.
   • PET 신호의 동인: 결정적으로, in vivo TSPO PET 신호는 CD68-TSPO 공존 분율과만 양의 상관관계를 보였다. IBA1-TSPO, GFAP-TSPO, 또는 CD31-TSPO 분율과는 양의 상관관계를 보이지 않았다.
   • 세포당 발현: 단일 세포 3D 재구성을 통해 IBA1+ 세포 밀도나 IBA1+ 미세아교세포 내의 세포 내 TSPO 부피 분율은 FTD 환자와 대조군 사이에 유의한 차이가 없음을 확인하였다. 이는 상승된 PET 신호가 per-cell 단위의 TSPO 과발현에 의한 것이 아님을 시사한다.
4. 회백질 vs 백질 해리: CD68 부담은 백질에서 상승되었으나, TSPO PET과 CD68 공존 발현 사이의 결합은 회백질 영역에 의해 주도되었다.

주요 기여

• 미세아교세포 부담 바이오마커로서의 TSPO PET 검증: 본 연구는 상승된 TSPO PET 신호가 일반적인 미세아교세포 밀도 증가나 세포당 TSPO 상향 조절이 아니라, 리소좀이 풍부한 포식성(CD68+) 미세아교세포의 부담 증가를 반영한다는 직접적인 증거를 제공한다.
• 병리 독립성: TSPO-CD68 관계가 FTLD-tau와 FTLD-TDP 모두에서 일관되다는 발견은 이러한 염증 기전이 근저에 있는 단백질 병증과 관계없이 전두측엽 로바 퇴행(frontotemporal lobar degeneration)의 공유된 특징임을 시사한다.
• 세포적 해석의 정교화: TSPO PET 신호가 전체 IBA1+ 세포 수나 세포당 TSPO 수준이 아닌 CD68+(리소좀) 함량을 추적한다는 것을 입증함으로써, 본 연구는 TSPO PET의 해석을 단순한 세포 증식이 아닌 특정 미세아교세포 활성 상태(포식 작용)의 마커로 정교화한다.

의의
저자들은 FTD에서 관찰되는 상승된 [¹¹C]PK11195 신호가 증가된 포식 미세아교세포 부담의 견고한 바이오마커라고 결론짓는다. 이러한 발견은 FTD 및 관련 질환에서 신경 염증을 표적으로 하는 실험 의학 및 임상 시험에서 TSPO PET의 유용성을 뒷받침한다. 본 연구는 TSPO 신호가 급성 염증 반응과는 구별되는, 신경 퇴행의 특징인 지속적인 신경 염증 부담을 포착하며, 특정 리소좀 농축 미세아교세포 표현형에 의해 구동됨을 명확히 한다. 저자들은 PET 스캔이 선행된 사후 조직의 희귀성으로 인해 샘플 크기가 제한적이지만, 이질적인 병리들 사이에서 발견된 결과의 일관성이 결론의 일반화 가능성을 강화한다고 언급하였다.