腦白質(zhì)損傷指中樞神經(jīng)系統(tǒng)中一個(gè)或多個(gè)區(qū)域軸突、少突膠質(zhì)細(xì)胞和髓鞘的進(jìn)行性變性。隨著人口老齡化，中老年人群中腦白質(zhì)損傷的發(fā)生率逐步增加。研究表明，腦白質(zhì)損傷與認(rèn)知功能障礙高度相關(guān)，尤其是工作記憶的下降。因此，腦白質(zhì)損傷也被認(rèn)為是認(rèn)知障礙一級(jí)預(yù)防和癡呆二級(jí)預(yù)防的治療靶點(diǎn)。而慢性腦缺血是腦白質(zhì)損傷的主要原因，腦小血管病及頸動(dòng)脈狹窄等多種腦大血管病變和腦小血管病變均會(huì)引起白質(zhì)損傷。鑒于損傷過程的復(fù)雜性，目前尚無有效的臨床治療方案。因此，針對(duì)慢性缺血性腦白質(zhì)損傷的治療是亟待研究的新領(lǐng)域。
近日，來自南京大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬鼓樓醫(yī)院的徐運(yùn)團(tuán)隊(duì)在Advanced Science上在線發(fā)表了題為“Optogenetic Stimulation of mPFC Alleviates White Matter Injury-Related Cognitive Decline after Chronic Ischemia through Adaptive Myelination”的工作。團(tuán)隊(duì)基于“適應(yīng)性髓鞘形成”理論，提出了治療慢性缺血性腦白質(zhì)損傷的新策略，揭示了神經(jīng)活性調(diào)控在腦白質(zhì)損傷及相關(guān)認(rèn)知障礙中的治療潛力。
研究思路及方法
1.適應(yīng)性髓鞘形成
神經(jīng)元和髓鞘之間存在著密切的聯(lián)系。近年來研究表明，神經(jīng)元活性能夠影響少突系細(xì)胞的譜系進(jìn)展并調(diào)控髓鞘形成，即適應(yīng)性髓鞘形成。然而，目前適應(yīng)性髓鞘形成相關(guān)的研究多見于發(fā)育和急性脫髓鞘疾病，在慢性腦缺血中，增加神經(jīng)元活性能否促進(jìn)腦白質(zhì)修復(fù)目前仍不清楚。
2.激活BCAS小鼠內(nèi)側(cè)前額葉皮層谷氨酸能神經(jīng)元改善工作記憶
我們采用野生型（WT）小鼠制備雙側(cè)頸動(dòng)脈狹窄（BCAS）模型發(fā)現(xiàn)，造模后2個(gè)月小鼠出現(xiàn)認(rèn)知功能障礙及白質(zhì)損傷，且認(rèn)知功能下降程度與白質(zhì)損傷程度呈正相關(guān)。隨后，通過病毒示蹤技術(shù)，我們發(fā)現(xiàn)小鼠內(nèi)側(cè)前額葉皮層（mPFC）谷氨酸能神經(jīng)元發(fā)出的神經(jīng)纖維投射經(jīng)過胼胝體。
基于此，我們利用光遺傳學(xué)及化學(xué)遺傳學(xué)技術(shù)調(diào)控BCAS小鼠mPFC谷氨酸能神經(jīng)元的活性。在BCAS模型46天后，對(duì)目的神經(jīng)元進(jìn)行連續(xù)15天的刺激。電生理檢測(cè)結(jié)果顯示，相比于假手術(shù)（Sham）小鼠，BCAS小鼠mPFC谷氨酸能神經(jīng)元活性降低，而光/化學(xué)遺傳學(xué)刺激提高了BCAS小鼠mPFC谷氨酸能神經(jīng)元活性。采用Y迷宮和T迷宮對(duì)工作記憶進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)BCAS后小鼠工作記憶出現(xiàn)障礙，而激活mPFC谷氨酸能神經(jīng)元顯著改善BCAS小鼠工作記憶。此外，曠場(chǎng)實(shí)驗(yàn)表明，BCAS造模及光/化學(xué)遺傳學(xué)刺激不影響小鼠的情緒及運(yùn)動(dòng)功能。
3.激活BCAS小鼠mPFC谷氨酸能神經(jīng)元改善腦白質(zhì)損傷
隨后，我們分別采用黑金染色、免疫熒光和Western blot技術(shù)檢測(cè)胼胝體區(qū)域的白質(zhì)完整性，發(fā)現(xiàn)相較于Sham小鼠，BCAS小鼠出現(xiàn)白質(zhì)損傷，神經(jīng)元的激活則改善了BCAS小鼠的脫髓鞘病變。利用透射電鏡檢測(cè)胼胝體區(qū)域髓鞘厚度，發(fā)現(xiàn)神經(jīng)元活性的提升改善了慢性腦缺血引起的髓鞘厚度減低。采用磁共振成像檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)BCAS造模后小鼠胼胝體區(qū)域各向異性分?jǐn)?shù)（FA）降低，化學(xué)遺傳學(xué)刺激提高了BCAS小鼠的FA值。通過胼胝體復(fù)合動(dòng)作電位檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，化學(xué)遺傳學(xué)刺激改善了BCAS小鼠的軸突傳導(dǎo)速率損傷。
4.激活BCAS小鼠mPFC谷氨酸能神經(jīng)元促進(jìn)少突膠質(zhì)前體細(xì)胞分化
為了進(jìn)一步研究腦白質(zhì)改善與少突膠質(zhì)細(xì)胞譜系進(jìn)展的關(guān)系，利用免疫熒光技術(shù)分別標(biāo)記少突系細(xì)胞、少突膠質(zhì)細(xì)胞（OLs）及少突膠質(zhì)前體細(xì)胞（OPCs）。發(fā)現(xiàn)相較于Sham小鼠，BCAS小鼠胼胝體區(qū)域OLs的數(shù)量及其在少突系細(xì)胞中的占比均減少，少突膠質(zhì)前體細(xì)胞的數(shù)量增加。神經(jīng)元激活后OLs的數(shù)量及其在少突系細(xì)胞中的占比增加。
5.激活BCAS小鼠mPFC谷氨酸能神經(jīng)元上調(diào)Wnt2的表達(dá)
為了進(jìn)一步探究mPFC谷氨酸能神經(jīng)元激活改善腦白質(zhì)損傷的潛在機(jī)制，我們采用基于微陣列的基因組學(xué)分析對(duì)BCAS小鼠及光刺激后BCAS小鼠的mPFC組織進(jìn)行檢測(cè)。結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)庫篩選神經(jīng)元激活后差異表達(dá)且翻譯產(chǎn)物為神經(jīng)元特異性分泌型蛋白的基因，利用qPCR驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)Wnt2是顯著變化的基因。同樣的，化學(xué)遺傳學(xué)刺激后BCAS小鼠mPFC組織中Wnt2的表達(dá)上升。對(duì)Wnt2的細(xì)胞來源驗(yàn)證表明Wnt2在皮層神經(jīng)元中高表達(dá)。利用免疫熒光檢測(cè)Wnt2在神經(jīng)元中的表達(dá)及分布，發(fā)現(xiàn)激活mPFC谷氨酸能神經(jīng)元后，激活神經(jīng)元中的Wnt2表達(dá)顯著上調(diào)，且胼胝體區(qū)域神經(jīng)元軸突Wnt2的表達(dá)亦上升。
6.過表達(dá)Wnt2改善BCAS小鼠的腦白質(zhì)損傷及工作記憶障礙
為了進(jìn)一步探究mPFC谷氨酸能神經(jīng)元中Wnt2的作用，通過注射腺相關(guān)病毒，在mPFC谷氨酸能神經(jīng)元中過表達(dá)Wnt2。通過行為學(xué)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)Wnt2過表達(dá)改善了BCAS小鼠的工作記憶并且不影響小鼠的情緒及運(yùn)動(dòng)能力。利用磁共振成像檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)Wnt2過表達(dá)后BCAS小鼠胼胝體區(qū)域FA值上升。分別采用黑金染色和免疫熒光檢測(cè)胼胝體處的白質(zhì)完整性，發(fā)現(xiàn)Wnt2過表達(dá)改善了慢性腦缺血引起的髓鞘損傷。利用透射電鏡檢測(cè)胼胝體處髓鞘厚度，發(fā)現(xiàn)相比較于BCAS小鼠，Wnt2過表后BCAS小鼠髓鞘厚度增加。此外，通過體內(nèi)外實(shí)驗(yàn)也進(jìn)一步證實(shí)Wnt2能夠促進(jìn)OPC向少突膠質(zhì)細(xì)胞進(jìn)一步分化。
研究總結(jié)
在此項(xiàng)研究中，我們發(fā)現(xiàn)慢性腦缺血模型小鼠存在認(rèn)知功能下降與腦白質(zhì)損傷，其內(nèi)側(cè)前額葉皮層（mPFC）向胼胝體發(fā)出神經(jīng)纖維投射。運(yùn)用光/化學(xué)遺傳學(xué)手段激活小鼠mPFC谷氨酸能神經(jīng)元促進(jìn)了胼胝體區(qū)域白質(zhì)修復(fù)并改善了工作記憶。機(jī)制方面，谷氨酸能神經(jīng)元激活上調(diào)Wnt2的表達(dá)，其通過促進(jìn)少突膠質(zhì)前體細(xì)胞的分化以改善腦白質(zhì)損傷。本研究揭示了神經(jīng)調(diào)控在改善腦白質(zhì)損傷及相關(guān)認(rèn)知障礙中的治療潛力。
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本文Wnt2過表達(dá)病毒由吉?jiǎng)P基因提供，助力高水平科學(xué)研究。
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作者簡(jiǎn)介
南京大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬鼓樓醫(yī)院徐運(yùn)教授、劉品一博士為該論文的通訊作者，鄧世佶博士生、舒姝博士、翟利利博士為論文共同第一作者。