J Neuroinflammation︱唐勇课题组发现运动通过提高海马内小胶质细胞糖代谢和形态可塑性改善AD认知功能下降

撰文︱张钐钐

责编︱王思珍

阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease，AD）是老年期痴呆最常见的一种疾病类型。大脑糖代谢减低[1]、认知功能下降和行为障碍等是AD的主要临床表现。体育锻炼作为一种主要的生理刺激，可以通过激活AMP活化蛋白激酶（AMPK）和哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mTOR）等促进细胞的葡萄糖摄取和能量代谢[2]。研究证实，长期有氧运动能够增加老年人群大脑[18F]脱氧葡萄糖（[18F]-Fluoro-2-deoxy-D-glucose，FDG）的摄取水平[3]，但是，长期有氧运动如何影响AD大脑糖代谢水平其实并不清楚。虽然FDG通常被认为是反映神经元可塑性或星形胶质细胞葡萄糖摄取的指标[4,5]。但是由于小胶质细胞（microglia）在AD病理过程中被过渡激活，已成为AD大脑中葡萄糖代谢的重要环节之一。然而，小胶质细胞在有氧运动改善AD认知功能中的作用仍然不清楚。

2022年2月5日，重庆医科大学基础医学院的唐勇教授课题组在Journal of Neuroinflammation上发表了题为“Long-term running exercise improves cognitive function and promotes microglial glucose metabolism and morphological plasticity in the hippocampus of APP/PS1 mice”的文章，阐述了长期跑步运动对AD模型小鼠大脑糖代谢水平的影响，以及小胶质细胞糖代谢和形态可塑性的影响，证明了跑步运动能够提高AD模型小鼠海马糖代谢水平，小胶质细胞糖代谢水平和小胶质细胞的形态可塑性，从而改善AD认知功能的下降。

首先，作者对10月龄的APP/PS1（AD）小鼠和同窝野生型（WT）小鼠进行了为期3个月的自主滚轮干预。在行为学测试中，作者发现，AD_Run小鼠的Morris水迷宫逃避潜伏期较AD_Sed（AD_Sedentary）小鼠明显缩短，穿越平台次数较AD_Sed小鼠明显增加。AD_Run小鼠的新事物识别试验的识别指数也较AD_Sed小鼠显著增加（图1 a-d），这证实长期自主跑步运动对AD模型小鼠认知功能具有显著的改善作用。作者还测量了海马体积和Aβ斑块的阳性区域面积，证实自主跑步运动能够增加AD小鼠海马DG区和CA1区的体积，并显著减少Aβ斑块的阳性面积（图1 e-f）。这些发现表明：长期自主跑步显著改善AD小鼠的学习记忆丢失，延缓海马体积萎缩进程，并减少Aβ斑块的沉积。

图1 自主跑步运动可改善APP/PS1小鼠认知功能，增加海马体积，以及减少Aβ斑块沉积。

（图源：Zhang SS et al., J Neuroinflammation, 2022）

为了探索自主跑步运动改善AD小鼠认知功能的潜在机制，作者对海马组织进行了转录组测序。如图2所示，与WT_Sed小鼠相比，AD_Sed小鼠中有115个基因表达上调，10个基因表达下调。这些上调的基因包括一些疾病相关的小胶质细胞（disease-associated microglia，DAM）基因，如Trem2、Tyrobp、Spp1、Clec7a、Ccl3、Cd74、Cd68 等，提示AD进展过程中存在广泛的小胶质细胞激活（图2 a, c）。然而，与AD_Sed小鼠相比，AD_Run小鼠中差异表达基因较少（图2 b, c）。这些结果表明，跑步运动对海马基因mRNA水平的影响较小，运动对大脑的调控可能发生在转录后水平。

图2 自主跑步运动没有显著改变APP/PS1小鼠海马基因mRNA表达水平。

（图源：Zhang SS et al., J Neuroinflammation, 2022）

为了进一步观察海马基因表达的微小变化，作者进行了基因集富集分析（gene set enrichment analysis，GSEA）。GSEA富集到的KEGG通路如图3所示。与WT_Sed小鼠相比，AD_Sed小鼠葡萄糖代谢相关途径下调，包括“磷酸戊糖途径”、“果糖和甘露糖代谢”和“糖酵解/糖异生”。然而，AD_Run小鼠的“淀粉和蔗糖代谢”、“丙酮酸代谢”、“糖酵解/糖异生”、“戊糖磷酸途径”和“果糖和甘露糖代谢”较AD_Sed小鼠上调。这些结果提示AD小鼠海马内存在糖代谢降低，而自主跑步运动促进AD小鼠海马内的葡萄糖代谢。

图3 基因集富集分析（GSEA）富集到了糖代谢相关通路。

（图源：Zhang SS et al., J Neuroinflammation, 2022）

为了证实自主跑步运动对AD小鼠海马糖代谢的促进作用，作者进行了FDG-PET实验。结果显示，AD_Run小鼠海马的FDG摄取水平（standard uptake value，SUV）较AD_Sed小鼠显著增强，WT_Run小鼠海马的FDG摄取水平也显著高于WT_Sed小鼠（图4）。这些结果表明自主跑步运动能够显著增加AD小鼠的糖代谢水平。

图4 自主跑步运动增加APP/PS1小鼠海马FDG摄取水平。

（图源：Zhang SS et al., J Neuroinflammation, 2022）

葡萄糖转运体（glucose transporters，GLUTs）是反应葡萄糖摄取的经典指标。GLUT1表达于少突胶质细胞和星形胶质细胞，GLUT3表达于神经元，而GLUT5主要表达于小胶质细胞[6]。已有研究证实有氧运动可以增加AD小鼠大脑GLUT1和GLUT3的蛋白水平[7]，但是关于小胶质细胞相关的GLUT5的变化并不清楚。在此，作者发现，与WT_Sed小鼠相比，AD_Sed小鼠齿状回（DG）区的GLUT5⁺/IBA1⁺小胶质细胞的比例显著增加，并且，AD_Run小鼠DG区的GLUT5⁺/IBA1⁺小胶质细胞的比例较AD_Sed小鼠更高（图5 a-b）。AD_Run小鼠GLUT5的蛋白表达也明显高于AD_Sed小鼠（图5 c-e）。这些结果表明，跑步运动可能通过提高AD小鼠的小胶质细胞葡萄糖代谢来改善认知功能。

图5 自主跑步运动上调APP/PS1小鼠海马GLUT5的蛋白表达水平，而非GLUT3。

（图源：Zhang SS et al., J Neuroinflammation, 2022）

为了进一步观察小胶质细胞的功能，作者检测了几个小胶质细胞相关的基因表达。qRT-PCR显示AD_Sed小鼠海马组织中Trem2、Tyrobp、Cd68、Itgax等基因水平较WT_Sed升高，但AD_Run小鼠和AD_Sed小鼠间这些基因水平没有显著差异（图6 a）。然而，AD_Run小鼠海马TREM2的蛋白水平较AD_Sed显著升高，血浆中的sTREM2水平较AD_Sed显著减少，免疫荧光也显示AD_Run小鼠的小胶质细胞中有更丰富的TREM2阳性信号（图6 b-e）。这些结果提示，自主跑步运动上调AD小鼠海马中TREM2蛋白的表达，并减少sTREM2脱落，防止sTREM2释放到血液中。不过，ADAM10（TREM2分解酶之一）在AD_Run小鼠中较AD_Sed显著增加，提示AD小鼠中TREM2分解增加可能有其他原因。此外，血浆sTREM2水平与海马FDG摄取水平呈显著负相关（图6 f），表明TREM2水解与海马糖代谢呈负相关，抑制TREM2的丢失可能是跑步运动改善AD小鼠海马糖代谢的机制之一。

另外，WB结果表明SPP1（TREM2依赖蛋白），和p-SYK（TREM2促进SYK Tyr525/526位点磷酸化）蛋白表达水平在AD_Run小鼠中较AD_Sed显著增加，而TYROBP（TREM2适配器蛋白）两组之间没有显著差异（图6 g-k），提示跑步运动可能通过激活TREM2/SYK信号通路，促进小胶质细胞的吞噬能力。

图6 自主跑步运动上调APP/PS1小鼠海马TREM2蛋白表达，下调血浆sTREM2水平。

（图源：Zhang SS et al., J Neuroinflammation, 2022）

为了进一步观察小胶质细胞的形态，作者进行了小胶质细胞的免疫组化染色，并利用体视学方法进行定量计数。结果显示，AD_Sed小鼠DG区和CA1区的小胶质细胞总数量均较WT_Sed小鼠显著增加，但AD_Run小鼠DG区中的小胶质细胞总数量较AD_Sed小鼠更多（图7 a-c）。AD_Sed小鼠DG区的小胶质细胞平均分枝数量和分枝长度较WT_Sed小鼠显著减少，而AD_Run小鼠DG区的小胶质细胞平均分枝数量和分枝长度较AD_Sed小鼠显著增加（图7 d-f）。这些结果表明，跑步运动增加了AD小鼠DG区内的小胶质细胞数量，并改善了小胶质细胞的分枝数量和分枝长度。

图7 自主跑步运动增加APP/PS1小鼠海马DG区小胶质细胞总数量，平均分枝数量和长度。

（图源：Zhang SS et al., J Neuroinflammation, 2022）

为了进一步确定跑步运动对小胶质细胞数量的影响是否是由于促进了小胶质细胞增殖引起的，作者对新生细胞进行了5-溴脱氧尿苷（5-bromodeoxyuridine，BrdU）标记。虽然AD_Run小鼠DG区的BrdU⁺细胞总数较AD_Sed小鼠明显增加，但是BrdU⁺/IBA1⁺新生小胶质细胞数量在两组之间未见明显差异（图8）。这些结果提示跑步运动并没有促进小胶质细胞的增殖，DG区中小胶质细胞数量的增加可能与跑步运动促进小胶质细胞的存活有关。

图8 自主跑步运动没有显著改变APP/PS1小鼠海马新生小胶质细胞数量。

（图源：Zhang SS et al., J Neuroinflammation, 2022）

文章最后，作者还对小胶质细胞活化标志物CD68进行了标记。AD_Sed小鼠DG区，CA1区和CA3区的CD68⁺/IBA1⁺小胶质细胞比率较WT_Sed小鼠显著增加，但是AD_Run小鼠DG区CD68⁺/ IBA1⁺小胶质细胞比率较AD_Sed小鼠显著减少（图9 a-b）。并且，AD_Run小鼠海马区Aβ斑块周围（≤15 μm）CD68/IBA1 阳性区域比例也显著低于AD_Sed小鼠（图9 a, c）。这些结果提示，跑步运动可能会降低AD小鼠海马内小胶质细胞的激活比例。

图9 自主跑步运动减少APP/PS1小鼠海马CD68免疫表达反应性。

（图源：Zhang SS et al., J Neuroinflammation, 2022）

文章结论与讨论，启发与展望

体育锻炼对认知功能的益处一直被大众所认可，但是潜在的机制并不清楚。作者利用转录组测序发现跑步运动可能促进AD大脑糖代谢的相关通路，也利用FDG-PET证实了这一点。作者指出小胶质细胞在AD大脑糖代谢中的重要作用。长期自主跑步运动不仅会促进AD海马内小胶质细胞的糖代谢，还会增加AD海马DG区内小胶质细胞的总数量，恢复小胶质细胞的形态可塑性。

作者推测跑步运动改善小胶质细胞代谢潜在的机制可能跟TREM2有关。因为TREM2是DAM激活的重要分子，只有表达TREM2的小胶质细胞才具有吞噬能力，并对小胶质细胞的存活和代谢至关重要，在AD中扮演着保护角色[8]。TREM2还能够影响整个大脑的糖代谢水平[9]。作者发现长期自主跑步能够维持TREM2的蛋白水平，减少血浆sTREM2水平，并且血浆sTREM2水平与海马FDG摄取呈负相关，提示运动导致的TREM2蛋白上调可能与促进小胶质细胞糖代谢、改善AD的认知有关。但是，相关证据需要进一步证实。

小胶质细胞作为大脑的先天免疫细胞，在AD病理中一直扮演者双刃剑的角色。近期研究提示恢复小胶质细胞代谢和功能不失为一种有效治疗AD的方式[10,11]。未来，作者希望寻找到更多跑步运动促进小胶质细胞代谢和功能的潜在靶点，并对这些靶点进行验证，以期找到治疗AD的新靶标。

原文链接：https://jneuroinflammation.biomedcentral.com/articles/10.1186/s12974-022-02401-5

第一作者 张钐钐（后排左四）；通讯作者 周春妮（前排右二）、唐勇（前排中）。

（照片提供自重庆医科大学唐勇教授课题组）

重庆医科大学基础医学院唐勇教授和周春妮教师为本文的通讯作者，博士研究生张钐钐为本文的第一作者。本研究得到了国家自然科学基金、重庆市自然科学基金的资助。

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参考文献（上下滑动查看）  

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制版︱王思珍

本文完