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Redox Biol︱中科院团队揭示短链脂肪酸促进星形胶质细胞-神经元代谢偶联缓解阿尔茨海默病
撰文︱孙 岩
审阅︱施 一
责编︱王思珍，方以一
阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease, AD），是一种典型的神经退行性和代谢性疾病，其特征为淀粉样β-蛋白斑块（Amyloid β, Aβ），神经纤维缠结，脑能量代谢紊乱，线粒体功能障碍和氧化应激损伤[1-3]。值得注意的是，这些病理表现早在临床上观察到病人认知障碍的数十年前就已经发生[4-5]。目前直接针对大脑神经元病理表现的传统干预策略在临床试验中呈现出较高的失败率，因此迫切需要从新的角度来研究疾病的发生和干预策略，从而促进新型AD药物的开发[6]。随着衰老进程，脑能量代谢损伤与神经功能障碍构成了恶性循环，而氧化损伤是脑能量代谢受损的重要因素。星形胶质细胞负责调控代谢稳态并保护神经元发挥正常的生理功能，可为神经元提供能量代谢底物，并通过摄取神经递质谷氨酸、提供乳酸以及内吞脂质颗粒以协助其发挥抗氧化作用。神经元的健康稳态高度依赖于星形胶质细胞代谢原料的补给[7-10]。有研究指出，肠道微生物的代谢产物短链脂肪酸（short chain fatty acids, SCFA），是调节神经退行性疾病的关键分子，其作为葡萄糖和脂质的底物储存库负责人体每日能量总需求的6-10％。然而，在AD进程中SCFA对星形胶质细胞和神经元的能量代谢调控作用还尚不清楚。
近日，中国科学院研究团队在Redox Biology在线发表了题为“Promotion of astrocyte-neuron glutamate-glutamine shuttle by SCFA contributes to the alleviation of Alzheimer's disease”的研究论文，揭示了星形胶质细胞-神经元之间的谷氨酸-谷氨酰胺循环在SCFA缓解AD中的重要作用，从脑能量代谢调控角度为新型AD药物的研发提供有前景的治疗靶点和策略。
研究人员首先基于星形胶质细胞-神经元体外培养体系，通过检测神经元细胞活力、ATP、ROS及细胞凋亡水平发现SCFA能够通过刺激星形胶质细胞促进AD样损伤的神经元发挥抗氧化作用。为了挖掘星形胶质细胞中的变化，首先通过同位素示踪实验观察到SCFA处理过的星形胶质细胞有较高的谷氨酰胺水平（图1A），紧接着通过Western blot检测显示SCFA上调了谷氨酰胺合成酶（glutamine synthetase, GS）的表达水平。同时，用SCFA处理星形胶质细胞后形成的条件培养基也显著上调了神经元中谷氨酰胺酶的表达水平（图1B-E）。研究者通过抑制剂MSO验证了GS在SCFA缓解神经元氧化损伤的关键作用，结果表明MSO加入后消除了SCFA对损伤后神经元中ROS、ATP、还原型谷胱甘肽及Tau蛋白磷酸化水平异常的正向调节作用（图1F-J）。综上所述，SCFA能促进星形胶质细胞-神经元谷氨酸-谷氨酰胺循环并通过增强GS活性发挥神经保护作用。
SCFA是肠道菌群代谢膳食纤维的发酵产物，研究人员比较了不同衰老时期（7月龄和14月龄）的野生型小鼠及APP/PS1转基因小鼠肠道菌群的组成特征，发现7月龄的APP/PS1小鼠产SCFA相关菌群丰度显著减少，提示在衰老早期进行菌群代谢物干预可能成为一种治疗AD的手段。研究人员对衰老早期的APP/PS1小鼠进行了长达9个月的SCFA饮食干预并在给药终点进行多种行为学检测和生化分析（图2A）。首先通过高架十字迷宫和旷场实验测试出各组小鼠均不存在焦虑样表型。随后在新物体及新位置识别测试中显示，与正常饮食组比较，SCFA饮食组小鼠的新物体识别指数显著升高且新位置探索时间显著延长，表现为良好的认知水平（图2B-H）。Morris水迷宫测试表明SCFA饮食显著缓解了APP/PS1小鼠的空间记忆障碍，表现为逃离潜伏期减少，目标象限的停留时间以及穿越平台次数显著增加（图2I-M）。同时在双向穿梭箱实验中也同样证实了长期SCFA饮食显著提高APP/PS1小鼠学习记忆能力（图2N-O）。
为了探索长期SCFA饮食对AD病理进程的影响，研究人员首先通过ELISA及免疫染色共定位评估了各组小鼠脑区海马体及皮质中Aβ沉积变化（图3A-F）。结果表明SCFA饮食组小鼠较正常饮食组显示出较低的可溶及不可溶Aβ (1-40/1-42)水平，同时斑块沉积显著减少。进一步通过Western blot及免疫荧光检测发现SCFA饮食显著缓解了APP/PS1小鼠海马体及皮质中Tau蛋白（Thr181，Ser396及Ser202/Thr205等位点）的异常磷酸化水平（图3G-J）。综上，长时程SCFA饮食能够改善AD转基因小鼠的认知障碍并提高其空间记忆能力，同时减少脑区Aβ沉积，降低Tau蛋白的异常磷酸化水平。
为了进一步挖掘SCFA对脑能量代谢的影响，研究人员对长时程SCFA饮食后的14月龄老年小鼠进行海马体单细胞转录组测序分析，确定了21个细胞亚群并注释了13类细胞。研究人员比较了神经元和非神经元细胞（星形胶质细胞和小胶质细胞）的变化，差异基因分析显示SCFA饮食组小鼠神经元比例增加而星形胶质细胞和小胶质细胞基本保持不变，在基因转录水平上星形胶质细胞较小胶质细胞变化显著（图4A-C, F）。神经性疾病网络分析表明星形胶质细胞中差异基因变化与神经退行性疾病特别是AD显著相关（图4E）。进一步富集分析观察到SCFA饮食调节了抗氧化活性、谷氨酸受体结合及谷胱甘肽转移酶等活性；其对应的生物过程为响应氧化应激，调控神经元死亡和神经递质水平，参与学习记忆、氨基酸转运、神经递质摄取、产生能量相关代谢物前体并促进ATP代谢进程。同时上调了与星形胶质细胞-神经元代谢偶联（Astrocyte-Neuron Metabolic Coupling, ANMC）相关的基因水平（Glul、Slc1a2、Gstm1、Gstp1、Clu、Itgam、Atp5a1、Ndufb4和Ndufa6）（图4G-H）。
研究人员进一步对星形胶质细胞进行亚群分类分析，发现了六种不同的星形胶质细胞亚群（ASC1-6）（图5A）。SCFA饮食组小鼠以ASC3为主要亚群，其ANMC相关基因（Glul、Gpx4、Gpx1和Gfap）的转录水平显着上调（图5B-C）。细胞间相互作用分析表明，SCFA饮食增强了星形胶质细胞—神经元通信水平（图5D-G），同时SCFA显著上调了星形胶质细胞—神经元谷氨酸—谷氨酰胺穿梭途径（图5H）。此外研究人员也对谷氨酸循环中相关转运体的表达变化进行分析发现SCFA促进星形胶质细胞对突触间隙中谷氨酸的摄取，对于星形胶质细胞中的谷氨酸，SCFA不影响谷氨酰胺从星形胶质细胞的流出但可以通过转运体促进其流入神经元参与谷胱甘肽的生成并发挥抗氧化活性。
文章结论与讨论，启发与展望
本研究利用体外细胞共培养体系和AD小鼠模型长时程SCFA饮食干预手段，结合多种行为学、生化分析及单细胞测序分析等手段阐明了SCFA通过促进星形胶质细胞-神经元的谷氨酸循环代谢缓解AD，SCFA可通过上调GS促进谷氨酸穿梭至神经元参与谷胱甘肽生成对抗氧化损伤（图6）。该研究发现提示了脑能量代谢调控可作为治疗AD的一种有效策略并为新型AD药物研发提供重要依据。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.redox.2023.102690
该研究的共同第一作者为中国科学院大学博士研究生孙岩，硕士研究生张怀午，中国科学院研究人员施一、王军和王奇慧为本文的共同通讯作者，重庆市人民医院蔡志友和北京生命科技研究院陈勇等人员也参与了该工作。该研究得到了中国科学院高福院士的指导和大力支持，也受到了中国科学院先导项目和中国科学院青年创新促进会等项目的支持。
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编辑︱王思珍
本文完