FTY720 effects on Alzheimers disease mouse brain revealed by spatial transcriptomics

Abstract

Since there is a need for faster application of neurodegenerative drugs in the clinical field, finding new indications for already approved drugs gained attention. FTY720 (fingolimod) is an FDA-approved drug for Multiple sclerosis, and its application to Alzheimers disease (AD) is promising. Recent studies, however, lack a comprehensive analysis of the CNS effect of FTY720 considering regional and cellular diversities of the brain. In this study, spatial transcriptomic data from 7-month-old mice with orally administered FTY720 at a dose of 0.3 mg/kg/day for 7 weeks was analyzed. In the Y-maze test, poor behavior with 5xFAD AD model mice was recovered by FTY720. The deposition of amyloid beta was increased in 5xFAD, but remained unchanged by FTY720. S1PRs, the target receptor of FTY720, showed distinct spatial patterns in the WM. In addition, weighted gene co-expression network analysis (WGCNA) modules localized in the WM and cortex were correlated with oligodendrocyte and neurons, respectively. Integrative analysis of spatial transcriptomic data and public single-cell data by Necessary and Sufficient Forest (NS-Forest) and CellDART was performed to evaluate the spatial distribution of brain cells. FTY720 induced transcription of myelin-forming oligodendrocytes in the WM of 5xFAD. Glutamatergic neurons and GM-associated astrocytes in the cortex showed an increased pattern in 5xFAD, while FTY720 reversed their transcriptomic profile. The increased pattern of dopaminergic neurons in the ventral tegmental area by FTY720 was observed in 5xFAD. Myelin-forming oligodendrocytes in the WM, glutamatergic neurons and GM-associated astrocytes in the cortex were associated with the behavior change. Oral FTY720 induced transcriptional change to the target receptor S1PRs in the WM along with the upregulation of myelin-forming oligodendrocyte in the WM. Besides, glutamatergic neurons and GM-associated astrocytes in the cortex shared similar transcriptional patterns according to FTY720. In summary, FTY720 might directly act on the myelin-forming oligodendrocytes in the WM through S1PRs, resulting in the transcriptional regulation of glutamatergic neurons and GM-associated astrocytes that cause behavioral changes. Area-specific cell subtypes that contributed to the behavioral change by FTY720 were found in 5xFAD. The spatial transcriptome changed by FTY720 in 5xFAD AD model mice was similar to the spatial transcriptome in normal mice, which is thought to have shown the potential of FTY720 as a treatment for AD. Moreover, these results help to understand the area-specific and cell-specific effects of FTY720. Comprehensive analysis of spatial transcriptome and single-cell data can be applied to confirm the regional and cellular effects of other CNS-targeted drugs.

알츠하이머병과 같은 신경퇴행성질환은 아직까지 명확한 치료제가 없으며 치료제의 개발 과정에 많은 노력이 든다. 최근 빠른 임상 응용이 가능한 기존 FDA의 허가를 받은 약제들을 다른 질환에 적응하는 방법이 제시되고 있다. 이에 FTY720 (fingolimod)라는 FDA의 승인을 받은 재발성 다발성 경화증 약제의 알츠하이머병에 응용 가능성이 대두되었다. 기존에 FTY720가 알츠하이머병 동물 모델의 뇌에 미치는 영향에 대한 연구들이 진행되었으나 뇌세포와 뇌 영역별 다양성을 고려하지 않아 FTY720의 효과를 분석하기에 제한적이다. 본 연구에서는 FTY720을 0.3 mg/kg/일 농도로 7주간 경구 투여한 7개월령 쥐 모델의 뇌로부터 얻은 공간 전사체 데이터를 분석하였다. 행동실험에서 5xFAD 알츠하이머병 모델 쥐의 행동 저하는 FTY720에 의해 회복되었다. 아밀로이드 베타의 뇌내 축적은 5xFAD 알츠하이머병 모델 쥐에서 전반적으로 증가했으나 FTY720에 의해 변하지 않았다. FTY720 투여에 따라 FTY720의 표적수용체인 S1PR들은 백질에서의 전사체 변화를 특징적으로 보였다. 이와 함께 유전자 공발현 분석 (weighted gene co-expression network analysis)으로 백질과 대뇌피질에 특징적으로 발현하는 모듈의 희돌기아교세포 및 신경세포와의 연관성을 확인하였다. 또한, 공간 전사체 데이터와 공공 단일 세포 전사체 데이터를 NS-Forest (Necessary and Sufficient Forest) 또는 CellDART 방법을 사용하여 통합 분석하였다. 세포 유형별 공간 지도를 작성하였고, 희돌기아교세포에서 FTY720에 의한 백질 중심의 공간 분포의 변화가 두드러졌다. 백질의 수초형성 희돌기아교세포가 FTY720로 전사체가 증가했으며 이는 행동의 호전과 관련성을 보였다. 대뇌피질의 글루탐산신경세포와 회백질연관성상세포는 공통적으로 5xFAD 알츠하이머병 모델 쥐에서 증가하였으나 FTY720에 의해 감소되었고, 행동 호전과 상관성을 보였다. 도파민성신경세포는 복측피개야에서 FTY720에 의한 전사체 증가가 관찰됬으나 행동과의 상관성은 없었다. FTY720은 5xFAD 알츠하이머병 모델 쥐의 백질에서 표적수용체의 전사를 증가시켰으며, 이는 백질에서의 수초형성 희돌기아교세포의 상향 조절과 함께 나타났다. 더불어 회백질의 글루탐산신경세포와 회백질연관성상세포는 FTY720에 의한 유사한 공간 전사체 패턴을 보였다. 정리하면 FTY720이 백질의 수초형성 희돌기아교세포의 전사체 변화에 직접적으로 작용하고, 이로 인해 행동 변화를 일으키는 글루탐산신경세포와 회백질연관성상세포의 전사도 유도하는 것으로 생각된다. 본 연구에서 5xFAD 알츠하이머병 모델 쥐에서 FTY720에 의한 행동 변화에 기여한 세포 소분류와 위치를 알 수 있었다. 5xFAD 알츠하이머병 모델 쥐에 FTY720에 의해 변한 공간 전사체는 정상 쥐에서의 공간 전사체와 유사한 패턴이었고, 이는 FTY720가 알츠하이머병의 치료제로서의 가능성을 보여줬다고 생각된다. 통합적인 전사체 분석은 향후 뇌를 표적으로 하는 약제의 공간적, 세포 특이적 효과를 평가하는 데에 적용 가능할 것으로 기대된다.