N-乙酰葡萄糖胺选择性减轻线粒体功能障碍小鼠模型的神经炎症

《Acta Physiologica》：N-Acetylglucosamine Selectively Attenuates Neuroinflammation in a Mouse Model of Mitochondrial Dysfunction

本研究发现，在线粒体功能障碍小鼠模型中，星形胶质细胞激活与神经元丢失是早于临床症状出现的早期事件，随后出现促炎小胶质细胞，而早期髓鞘异常伴随少突胶质前体细胞的代偿性增多。口服N-乙酰葡萄糖胺（GlcNAc）能够显著减轻胶质细胞激活和神经炎症标志物，其机制可能涉及抑制NF-κB和NLRP3炎症信号通路。虽然治疗未能完全逆转结构性损伤或恢复髓鞘蛋白表达，但显著改善了小鼠的运动协调能力。这些发现定义了线粒体脑病中胶质细胞激活、神经元丢失和髓鞘改变的时间顺序，提示在疾病早期靶向胶质细胞反应和神经炎症，可能缓解神经退行性进程并改善功能结局，为线粒体疾病治疗提供了关键的生理相关时间窗口。

　　

1 引言

线粒体功能障碍是神经和神经退行性疾病的核心因素。其中，原发性辅酶Q (CoQ) 缺乏尤为相关，它与小脑共济失调、脑病、周围神经病变等多种病理相关。CoQ是一种存在于所有细胞膜，尤其富集于线粒体内膜的电子传递脂质，是电子传递链 (ETC) 的关键组分，并具有抗氧化、调节细胞死亡等多种功能。本研究采用的 Coq9^R239X小鼠模型携带了与人类致病突变同源性的致病变异，导致CoQ严重缺乏，进而引发早期线粒体功能障碍、神经胶质增生、神经炎症、神经元丢失和早亡。以往研究提示，4-羟基苯甲酸 (4-HB) 类似物能延长该模型小鼠寿命并减轻神经炎症，且与恢复脑中已糖胺生物合成途径的中间代谢产物N-乙酰葡萄糖胺 (GlcNAc) 和N-乙酰葡萄糖胺-6-磷酸 (GlcNAc-6P) 的水平有关。糖基化与已糖胺生物合成途径相连，其破坏与神经炎症和脱髓鞘相关。基于此，本研究旨在描绘 Coq9^R239X小鼠模型中神经胶质增生、神经炎症和脱髓鞘过程的时间进展，并评估口服补充GlcNAc的治疗潜力。

2 方法

研究使用 Coq9^+/+(野生型) 和 Coq9^R239X小鼠。在无症状期 (1月龄)、症状起始期 (3月龄) 和终末期 (5月龄) 三个时间点评估神经退行性变的进展。通过组织学、分子学和超微结构方法，结合运动协调性的行为分析，评估神经元完整性、胶质细胞激活、髓鞘形成和炎症反应。GlcNAc通过饮用水从1月龄开始给药，并评估其对神经炎症、髓鞘完整性和运动能力的影响。

3 结果

3.1 反应性星形胶质增生和神经变性是早于神经炎症的早期事件

研究发现，在症状出现之前（1月龄），皮层中已出现神经变性的迹象。星形胶质细胞数量进行性增加，且胶质纤维酸性蛋白 (GFAP) 信号强度增加，表明星形胶质增生，其形态也从纤维状转变为圆形。同时，脑干中的小胶质细胞数量在无症状期并未增加，仅皮层中有所增加，且未呈现促炎表型。但在症状起始期（3月龄），脑干小胶质细胞数量增加，并获得了明显的促炎表型（胞体增大、突起缩短）。这些结果表明，星形胶质细胞改变和神经元死亡是早发事件，并构成了后续神经炎症的基础。

3.2 少突胶质细胞功能障碍在症状期前即损害髓鞘生成

研究发现，在无症状期和症状起始期，Coq9^R239X小鼠脑干中的少突胶质前体细胞 (OPCs) 数量增加。但从症状起始期开始，髓鞘蛋白表达呈减少趋势。在终末期，髓鞘少突胶质细胞糖蛋白 (MOG) 和髓鞘碱性蛋白 (MBP) 这两种主要髓鞘蛋白的水平显著降低。免疫荧光和透射电镜分析进一步证实，在无症状期就已出现总体髓鞘体积和髓鞘厚度的下降。这些结构异常可能是该模型小鼠运动缺陷和终末期瘫痪的基础。

3.3 GlcNAc补充改善行为缺陷但不影响生存或髓鞘形成

口服补充GlcNAc未能延长最大寿命，但显著改善了生命最初3个月的存活率，并改善了运动协调能力。然而，GlcNAc并未改善该模型小鼠的体重缺陷。尽管补充了GlcNAc，但小鼠大脑中的尿苷二磷酸-N-乙酰葡萄糖胺 (UDP-GlcNAc) 水平反而轻微下降。但O-连接的N-乙酰葡萄糖胺转移酶 (OGT) 与O-GlcNAc水解酶 (OGA) 的比值在未处理的突变小鼠中降低，而在接受GlcNAc的突变小鼠中恢复到野生型水平，提示补充剂调节了已糖胺生物合成途径和可能的O-GlcNAc修饰。

与之前某些报道不同，GlcNAc治疗并未改善脱髓鞘或促进髓鞘再生，皮层和脑干中的髓鞘蛋白水平保持不变。但GlcNAc给药导致血小板衍生生长因子受体α (PDGFRα) 表达显著降低，这可能反映了通过PDGFRα调节的抗炎作用，而非直接影响髓鞘合成或修复。

3.4 GlcNAc通过调节NLRP3炎性体和NF-κB通路减轻神经炎症

免疫组织化学分析显示，GlcNAc治疗显著减少了脑干中的星形胶质细胞激活，并降低了小胶质细胞标志物离子钙接头蛋白1 (Iba-1) 的表达，伴随其向抗炎表型转变。转化生长因子-β (TGF-β) 在突变动物中上调，而GlcNAc的施用使脑干中TGF-β水平恢复正常。

在分子机制上，Coq9^R239X动物中核因子κB (NF-κB) p65亚基的表达增加，而GlcNAc治疗显著减弱了这种增加。同时，GlcNAc治疗上调了抑制蛋白IκBα的表达，提示其抑制了NF-κB的核转位。此外，GlcNAc有效防止了NOD样受体热蛋白结构域相关蛋白3 (NLRP3) 的上调，降低了白细胞介素-1β (IL-1β) 的释放，并降低了小胶质细胞中凋亡相关斑点样蛋白 (ASC) 的表达。在蛋白水平上，肿瘤坏死因子-α (TNF-α)、CXC趋化因子配体10 (CXCL10) 和白细胞介素-6 (IL-6) 的释放在突变动物中升高，而GlcNAc给药阻止了它们的所有上调。综上，这些结果表明GlcNAc通过抑制NF-κB信号通路和NLRP3炎性体，在该动物模型中发挥了强大的抗炎作用。

4 讨论

本研究发现，由CoQ水平低引起的早期线粒体功能障碍会导致反应性星形胶质增生。同时，少突胶质细胞无法产生髓鞘，神经元变性。随后，小胶质细胞呈现促炎状态，促进神经炎症。GlcNAc治疗部分减轻了神经胶质增生和神经炎症，并改善了一些表型特征，但在这种全身性CoQ缺乏的模型中并未延长最大寿命。这些结果表明，神经炎症是线粒体脑病中的次级病理机制，位于代谢衰竭的下游并促进疾病进展。

炎症可以通过靶向已糖胺生物合成途径来调节。在 Coq9^R239X小鼠中，施用GlcNAc可能刺激NF-κB p65的O-GlcNAc修饰，增加其与IκBα的结合，从而阻止NF-κB向细胞核转位。GlcNAc的抗炎作用还得到其降低炎性体激活能力的进一步支持。然而，与多发性硬化症中的先前发现不同，为期2个月的GlcNAc补充并未防止 Coq9^R239X小鼠的髓鞘损伤，尽管观察到PDGFRα水平下降。这可能表明新产生的少突胶质前体细胞正在分化为星形胶质细胞，从而促进了炎症反应。

综合来看，这些发现强调了线粒体损伤后治疗干预时机的重要性。早期诊断和及时治疗对于预防不可逆的损伤至关重要。数据支持开发根据诊断和治疗启动时间量身定制的个性化治疗策略。

5 结论

本研究为线粒体功能障碍在大脑中引发的细胞改变的时间顺序提供了新见解。使用 Coq9^R239X小鼠模型，研究证明星形胶质细胞和神经元是对CoQ缺乏的最早反应者，引发了一系列病理事件，包括星形胶质增生、少突胶质细胞功能障碍、神经元变性和小胶质细胞驱动的神经炎症。这些发现挑战了线粒体疾病发病机制中以神经元为中心的观点，并强调了胶质细胞作为早期积极参与者的重要性。此外，结果强调了早期诊断和治疗干预的至关重要性，因为晚期治疗可能无法逆转已形成的损伤。尽管GlcNAc治疗部分减轻了神经炎症，但其对生存和髓鞘形成的有限疗效强调了开发针对特定阶段的靶向治疗的必要性。这些发现共同为开发治疗线粒体脑病的个性化、细胞类型导向策略铺平了道路。