大量流行病学证据表明有氧运动是改善认知，降低阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease，AD）发生风险的重要生活方式[1]。然而，目前有氧运动保护AD认知功能的分子机制尚未完全阐明。血脑屏障（Blood-brain barrier，BBB）损伤在AD病理的发生发展过程中发挥重要的作用。研究发现，在AD的早期阶段即可出现BBB渗透性增加等改变。随着疾病的进展，BBB结构破坏和功能失调日益严重，从而极大的减少了脑内β-淀粉样蛋白（β-amyloid，Aβ）的清除，最终造成认知的下降[2]。已有研究发现有氧运动能够改善衰老相关的BBB功能[3]，但其是否能够减轻AD相关的BBB损伤及其相应的分子机制尚不清楚。积极探索有氧运动改善AD相关BBB损伤的内在机制有望为AD的防治提供重要的指导意义。2022年12月11日，山东第一医科大学附属省立医院神经内科杜怡峰课题组在Aging Cell上发表了题为“Exosomal miR-532-5p induced by long-term exercise rescues blood–brain barrier function in 5XFAD mice via downregulation of EPHA4”的文章。梁晓艳博士为论文第一作者，杜怡峰教授和侯婷婷副教授为论文共同通讯作者。在此项研究中，作者发现长期有氧运动能够显著增加脑内Aβ的跨血脑屏障清除，从而提高5XFAD小鼠的学习记忆能力。这一过程是由神经元外泌体中的miR-532-5p介导的。神经元释放的携带miR-532-5p的外泌体能够被血脑屏障内皮细胞和周细胞摄取，从而显著改善血脑屏障的结构和功能，最终增加脑内Aβ的清除，改善认知功能。（拓展阅读：杜怡峰团队相关研究进展，详见“逻辑神经科学”报道（点击阅读）：Cereb Cortex︱杜怡峰/仇成轩课题组揭示KIBRA基因多态性与老年人大脑灰质结构及嗅觉功能之间的复杂关系）首先研究者利用5XFAD痴呆模型鼠与同窝野生型小鼠建立长期有氧运动模型，观察其对小鼠学习记忆能力以及脑内Aβ跨血脑屏障清除的影响。研究发现长期有氧运动之后，5XFAD小鼠的学习记忆能力明显提高。同时小鼠脑内Aβ的跨血脑屏障清除也明显增强（图1）。上述结果表明长期有氧运动对痴呆相关认知损伤有明显的保护作用。图1 长期有氧运动促进β-淀粉样蛋白的跨血脑屏障清除，改善认知（图源： Liang, X. et al., Aging Cell, 2022）为进一步验证长期有氧运动后，增强的Aβ跨血脑屏障清除是否得益于血脑屏障结构和功能的改善[4]，研究者通过免疫印迹及染色技术检测了血脑屏障关键组分内皮细胞与周细胞的结构和功能变化。研究发现，有氧运动后，内皮细胞紧密连接蛋白ZO-1、Claudin 5以及周细胞功能蛋白PDGFRβ、NG2表达明显升高，同时5XFAD小鼠脑内微血管渗漏也明显减少，Aβ跨血脑屏障转运关键受体LRP1在小鼠全脑内以及内皮细胞、周细胞上的表达也明显升高（图2）。上述结果表明：有氧运动能够显著提高痴呆小鼠的血脑屏障结构和功能。（图源： Liang, X. et al., Aging Cell, 2022）外泌体是细胞与细胞之间通讯的重要媒介。多项研究表明在运动过程中释放的外泌体可发挥“旁分泌”或“内分泌”的作用，被临近或远距细胞摄取，从而传递生物活性分子，影响靶细胞或靶器官的功能[5]。因此，研究者推测：长期有氧运动是否可通过外泌体这一媒介影响BBB的结构和功能。为了验证这一点，研究者首先体外提取了运动与非运动小鼠的脑组织外泌体并进行了形态学与特异性蛋白的验证。之后将原代内皮细胞与原代周细胞分别与小鼠脑组织外泌体进行共培养，结果发现外泌体可被内皮细胞及周细胞摄取。与此同时被细胞摄取的运动小鼠的脑组织外泌体可显著提高内皮细胞紧密连接蛋白ZO-1以及周细胞功能蛋白PDGFRβ、NG2的表达，减少细胞的凋亡，提高细胞的生存率（图3）。这些结果表明：长期有氧运动可促使机体产生功能性外泌体，作用于BBB，发挥保护作用。（图源： Liang, X. et al., Aging Cell, 2022）为了明确运动小鼠脑组织外泌体中发挥保护BBB作用的功能分子，研究者对可能的miRNA进行筛选，最终发现运动小鼠脑组织外泌体被细胞摄取后，可显著提高细胞内miR-532-5p的水平。体外以及体内过表达miR-532-5p实验进一步证实升高miR-532-5p的水平可显著提高内皮细胞紧密连接蛋白ZO-1、周细胞功能蛋白PDGFRβ、NG2及Aβ跨BBB清除受体LRP1的表达，减少细胞的凋亡，提高细胞的生存率，减轻小鼠脑内Aβ的沉积（图4）。因此，外泌体内miR-532-5p可能是运动外泌体发挥保护BBB作用的功能分子。图4 外泌体内miR-532-5p是运动外泌体发挥BBB保护作用的功能分子（图源： Liang, X. et al., Aging Cell, 2022）运动可引起机体系统性的变化。为了明确携带miR-532-5p的外泌体的组织细胞来源，研究者分别提取了肾脏，肝脏，肌肉以及脑组织的总miRNA。通过比较非运动状态以及运动前后各组织miR-532-5p的变化，发现脑组织在非运动状态下miR-532-5p的表达最高，且运动后升高最为显著。神经元和星形胶质细胞是神经系统最主要的细胞，研究者利用原位杂交双标记实验进一步观察神经元和星形胶质细胞内miR-532-5p在运动前后的表达变化，结果发现无论是在皮层还是海马区域，神经元内的miR-532-5p变化最为显著（图5）。因此，上述结果提示长期有氧运动可通过外泌体递送miR-532-5p促进神经元与BBB之间的信息交流。图5 长期有氧运动通过外泌体递送miR-532-5p促进神经元与BBB之间的交流（图源： Liang, X. et al., Aging Cell, 2022）研究者利用数据库进一步预测miR-532-5p的下游靶基因。双荧光素酶报告基因实验证明miR-532-5p能够结合于EPHA4的3’UTR区。EPHA4在AD小鼠脑组织中高表达，既往有研究报道与脑卒中血脑屏障损伤有关。在本研究中过表达miR-532-5p之后，小鼠脑组织EphA4蛋白表达明显降低。体外细胞沉默EPHA4基因后，内皮细胞紧密连接蛋白及周细胞功能蛋白表达均明显升高（图6）。上述结果提示miR-532-5p可通过抑制EPHA4表达发挥改善BBB功能的作用。图5 miR-532-5p通过抑制EPHA4表达保护BBB（图源： Liang, X. et al., Aging Cell, 2022）综上所述，该研究通过体内体外多种实验手段，揭示了长期有氧运动可通过促进神经元外泌体递送miR-532-5p作用于BBB，从而改善其结构和功能，最终增强Aβ的跨BBB清除，提高学习记忆能力。该研究证实了miR-532-5p在AD病理发生发展中的积极作用，提示了BBB功能的恢复可能是延缓AD进展的潜在靶点，为AD的防治提供了一个可能的切入点。在未来的研究中，或许可以基于细胞与细胞之间的信息传递深入探讨外泌体miR-532-5p能否精准靶向特定脑区或特定细胞群，从而发展出一套可用于AD早期治疗的新型精准治疗工具。
原文链接：http://doi: 10.1111/acel.13748.
本研究受国家重点研发计划（2017YFC1310100）、国家自然科学基金（81861138008、81772448、82001120）、山东省自然科学基金（ZR2021MH392、ZR2021QH240）、济南市科技发展计划项目（202134028）等多个项目的联合资助。通讯作者简介：杜怡峰，山东第一医科大学附属省立医院神经内科主任，山东大学/山东第一医科大学博士生导师，二级教授，国家重点研发计划首席科学家，泰山学者特聘专家，长期致力于阿尔茨海默病早期防治工作，在Alzheimers & Dementia、Nature Communications、JAMA Neurology、Lancet Public Health等国际知名期刊发表学术论文200余篇。
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