Brain︱陈础课题组发现星形胶质细胞中的内源性大麻素信号通路在创伤性脑损伤的恢复中发挥关键作用

撰文︱高  菲

责编︱王思珍

编辑︱杨彬伟

创伤性脑损伤（traumatic brain injury，TBI）是指由外部物理因素对大脑造成的损伤。临床上约80%的TBI为轻度[1,2]。多次轻度TBI会引起症状类似阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease，AD）的神经退行性疾病，提示TBI与AD之间存在密切联系。但是目前对于TBI引起的AD样神经退行性疾病尚无有效的防治措施，主要是因为对TBI引起的神经病理学改变的分子机制缺乏认识。内源性大麻素系统由内源性大麻素、内源性大麻素受体、合成降解的酶以及转运体组成，其参与多种生理病理功能。2-花生四烯酸甘油（2-Arachidonoylglycerol，2-AG）是含量最高的具有抗炎性反应和兴奋性毒性的内源性大麻素。其在TBI引起的神经病理学改变中起保护作用。在脑内，约有85%的2-AG是由单酰甘油酯酶（monoacylglycerol lipase，MAGL）降解的[3-6]。已有研究观察到用药物抑制MAGL可以缓解TBI导致的炎性反应、神经病理学改变以及突触和认知功能损伤[7-10]。但是关于抑制MAGL活性在TBI中发挥神经保护作用的机制并不明确。

近日，德克萨斯州立大学健康科学中心圣安东尼奥分校生理系陈础教授课题组在Brain上发表题为“Enhancing endocannabinoid signaling in astrocytes promotes recovery from traumatic brain injury”的研究论文。该研究首次揭示抑制星形胶质细胞中MAGL的活性在TBI中发挥神经保护作用。他们发现抑制MAGL在星形胶质细胞而非神经元中的功能，增强星形胶质细胞内2-AG信号通路是改善创伤性脑损伤后神经病理学改变并保护突触和认知功能的重要因素。胡梅、朱德晓、章健为共同第一作者，陈础教授为通讯作者。（拓展阅读：陈础课题组最新研究进展，详见“逻辑神经科学”报道（点击阅读）：Acta Neuropathol︱陈础课题组揭示创伤性脑损伤促进阿尔茨海默病发展的关键因子）

已有研究报道用药物JZL-184抑制MAGL作用可以缓解TBI导致的神经病理学改变[7]。为验证用基因敲除技术抑制MAGL的功能是否可以起到与药物抑制剂相同的效果，并进一步探讨抑制MAGL所产生的神经保护作用是否具有细胞类型特异性，作者首先建立了MAGL细胞类型特异性敲除的转基因小鼠，分别为MAGL全敲除小鼠（tKO），神经元MAGL敲除小鼠（nKO），及星形胶质细胞MAGL敲除小鼠（aKO）。并采用经历3次轻度闭合性脑损伤的TBI模型。于TBI后30天检测细胞类型特异性敲除MAGL是否能够减轻TBI引起的神经炎性反应、神经病理学改变及突触和认知功能损伤。结果显示，经历TBI以后，对照组小鼠脑内细胞炎性因子（TNF、、IL-1β、IL-6、Vim）的表达显著升高，而tKO小鼠脑内细胞炎性因子的表达相对较低。由TBI导致的高度磷酸化Tau蛋白（p-Tau）累积以及TAR DNA-binding protein 43（TDP-43）聚集的现象也在tKO小鼠中得到缓解。经历多次TBI会引起突触损伤和认知功能障碍并最终导致痴呆，而在tKO小鼠TBI模型中，其突触功能（长时程增强效应，谷氨酸受体表达量）和空间学习记忆（Morris水迷宫）能力并没有受损。从而证明利用基因敲除技术抑制MAGL的功能可以起到与药物抑制剂相同的效果。作者意外发现抑制MAGL所产生的神经保护作用具有细胞类型特异性。与在tKO小鼠中观察到的现象相同，aKO小鼠TBI模型的细胞炎性因子表达水平比对照小鼠TBI模型低而经历TBI后的nKO小鼠依然表现出细胞炎性因子的高表达。神经炎性反应是TBI继发性损伤的关键因子，星形胶质细胞和小胶质细胞是参与神经炎性反应的主要细胞类型。作者用单细胞RNA转录组测序分析研究TBI对星形胶质细胞和小胶质细胞内基因表达的影响发现经历TBI后，相较于aKO小鼠，TBI上调了对照小鼠和nKO小鼠星形胶质细胞和小胶质细胞内更多的促炎性反应相关基因表达，而下调了与抑制炎性反应和维持脑稳态相关基因的表达。其对相同基因在aKO小鼠神经胶质细胞表达的影响明显较小。证明抑制星形胶质细胞胶质细胞内2-AG代谢可以限制由TBI引起的与加剧神经炎性反应有关的基因表达量改变。作者进一步研究发现aKO小鼠TBI模型的p-Tau和TDP-43表达水平比对照小鼠TBI模型更低，且突触和认知功能并没有受到损伤。而经历TBI后的nKO小鼠，依然表现出明显的神经病理学改变以及突触和认知功能障碍。说明抑制星形胶质细胞而非神经元中MAGL的作用是缓解TBI后神经炎性反应、神经病理学改变并保护突触和认知功能的关键因素（图1）。

图1 抑制星形胶质细胞内MAGL的表达可以缓解由TBI导致的AD相关神经病理学改变及突触和认知功能损伤

（图源：Hu,M., et al., Brain, 2022）

证明了抑制星形胶质细胞内MAGL功能在TBI中发挥神经保护作用以后，作者进一步探究该保护作用是否是通过增强2-AG信号通路实现的呢？如果是，那么大麻素受体是否参与其中呢？2-AG通过MAGL水解的代谢产物为花生四烯酸（arachidonic acid，AA）。AA是前列腺素和白三烯的前体物质。某些前列腺素和白三烯是神经退行性疾病中的促炎细胞因子。因而通过抑制MAGL活性减少促炎细胞因子的水平，也可以起到缓解神经病理学改变的作用[11]。为此作者给予CB1R敲除小鼠TBI模型药物处理（JZL-184）以抑制MAGL功能，观察是否仍然可以起到神经保护作用，结果发现在CB1R敲除小鼠中，JZL-184并不能逆转由TBI引起的突触和认知损伤，也没有降低TDP-43和p-Tau的高表达。从而证明抑制MAGL所产生的保护作用是在增强2-AG信号后，通过CB1R激活下游通路实现的。那么CB1R下游信号通路中又有哪些因子参与其中呢?作者前期研究发现2-AG信号通路是通过刺激Peroxisome proliferator activated receptor gamma（PPARγ）的表达并抑制NF-κB发挥抗炎作用的。PPARγ和NF-κB的相互作用也被证明在控制中枢神经系统的炎性反应中发挥重要作用[12-15]。因此作者推测PPARγ参与CB1R下游信号通路，并在TBI引起的损伤中发挥作用。为验证这一假设，作者首先测试2-AG是否可以提高细胞内PPARγ活性，以及CB1R和PPARγ拮抗剂是否可以抑制2-AG引起的活性升高。结果显示CB1R拮抗剂（Rimonabant）和PPARγ拮抗剂（GW9662）均可以抑制由2-AG引起的PPARγ活性升高。此外，在TBI动物模型中，作者发现注射JZL-184可以逆转由TBI引起的对照动物动物海马内PPARγ表达下降和phosphorylated NF-κB（p-NF-κB）表达升高。但是其对于CB1R敲除小鼠并没有作用。进一步证实增强2-AG信号后，通过CB1R可以激活下游PPARγ活性并抑制p-NF-κB高表达。

在MAGL细胞类型特异型敲除的转基因小鼠中的实验发现，TBI引起的PPARγ低表达和p-NF-κB高表达的现象仅在tKO和aKO小鼠中得到缓解。而nKO动物与对照动物相同，TBI后脑内仍出现低水平的PPARγ和高表达的p-NF-κB。表明经历TBI后，星形胶质细胞内PPARγ表达降低和p-NF-κB表达升高最终导致了神经病理学改变和认知功能障碍。如果星形胶质细胞内的PPARγ确为TBI后2-AG-CB1R信号通路发挥作用的关键因子，那么下调aKO动物脑内的PPARγ表达水平可以消除其在TBI模型中的神经保护作用；同理，若在对照动物的星形胶质细胞中高表达PPARγ即可缓解由TBI引起的神经病理学改变和认知功能损伤。为此作者用腺相关病毒干扰aKO小鼠海马内PPARγ的表达。结果显示，在注射病毒降低星形胶质细胞内PPARγ表达以后，TBI可以引起aKO小鼠脑内TDP-43、p-Tau和p-NF-κB表达量的升高以及突触后密度蛋白95（PSD95）的降低。此外，作者在对照小鼠星形胶质细胞内高表达人源PPARγ。由TBI引起的TDP-43、p-Tau和p-NF-κB高表达等神经病理学改变得到显著缓解，并能保护小鼠认知功能免受损伤。以上证据进一步证明，TBI中，抑制星形胶质细胞内MAGL的功能产生的神经保护作用是通过2-AG-CB1R-PPARγ信号通路实现的（图2）。

图2介导抑制星形胶质细胞中MAGL活性在TBI中起神经保护作用的信号通路模式图

（图源：Hu,M., et al., Brain, 2022）

文章结论与讨论，启发与展望

在该研究中作者发现用基因敲除的方式抑制单酰甘油酯酶（MAGL）活性与注射药物抑制剂效果相同，均可以缓解创伤性脑损伤（TBI）导致的神经病理学改变。并且抑制MAGL所产生的神经保护作用具有细胞类型特异性。虽然脑内大部分2-花生四烯酸甘油（2-AG）是在神经元内产生的，星形胶质细胞只产生少量2-AG，但是星形胶质细胞而非神经元中增强的2-AG信号通路在TBI后的恢复中发挥关键作用。PPARγ是这一通路的关键因子之一。选择性敲除星形胶质细胞中的MAGL后，增强的2-AG信号通过CB1R刺激PPARγ表达，进而使得p-NF-κB的表达降低。最终通过2-AG-CB1R-PPARγ信号通路的作用改善TBI后神经病理学改变并保护突触和认知功能免受损伤。特异性敲除神经元内的MAGL并没有在TBI中起到保护作用，说明维持神经元内适度2-AG降解水平对于动物的学习认知功能是必要的。综上，星形胶质细胞内的2-AG-CB1R-PPARγ信号通路在TBI引起的阿尔兹海默症（AD）样神经病理学改变中发挥至关重要的作用。

增强星形胶质细胞内的2-AG信号通路不仅降低了小胶质细胞内促炎性反应相关基因的表达，同时也保护神经元突触功能免受损伤，缓解了TBI导致的AD相关神经病理学改变。后续可对星形胶质细胞、小胶质细胞与神经元之间的相互作用以及通过其相互作用起到神经保护效果的分子机制进行深入研究。

原文链接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/35136958/

共同第一作者胡梅（左三）、朱德晓（左一）、章健（左四）；通讯作者陈础（右一）

（照片提供自：德克萨斯州立大学健康科学中心圣安东尼奥分校陈础教授课题组）

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本文完