外源性rGDF11通过抑制内源性甲醛的积累来改善慢性应激引起的认知障碍

《Brain Research》：Exogenous rGDF11 ameliorates chronic stress-induced cognitive impairment by suppressing the accumulation of endogenous formaldehyde

GDF11通过调节海马区甲醛代谢酶改善慢性应激诱导的认知障碍，动物实验显示外源性重组GDF11可剂量依赖性恢复突触蛋白表达并纠正甲醛代谢失衡。

　　

陈书静|刘芬|姜佳梅|易莉莉|张萍|邹伟|杨三桥|唐晓晴

中南大学湘雅医学院第七附属医院（湖南省退役军人管理局医院）神经内科，中国湖南长沙410000

摘要

背景

慢性不可预测的轻度压力（CUMS）是研究压力诱导的认知障碍的成熟模型。新兴证据表明，海马区内源性甲醛（FA）代谢的失调是导致这种损伤的原因之一，但针对这一途径的治疗策略仍然有限。生长分化因子11（GDF11）是一种具有神经保护作用的蛋白质，已被发现与突触调节和认知功能有关，然而其在慢性压力下调节FA稳态的直接作用尚不清楚。

方法

成年雄性Sprague-Dawley大鼠被暴露于CUMS环境中4周。在最后两周内，大鼠通过脑室内注射重组GDF11（rGDF11），剂量分别为0.4、1.2或4.0 ng/kg。使用Y迷宫、新物体识别（NOR）测试和Morris水迷宫（MWM）来评估认知表现。通过荧光探针分析海马组织中的FA水平，并通过Western blot检测突触标志物（SYN-1、PSD-95）和FA代谢酶（SSAO、ADH5、ALDH2）的蛋白质表达。

结果

暴露于CUMS的大鼠在所有行为测试中均表现出显著的认知缺陷，同时突触蛋白表达下调，海马区FA水平升高，FA代谢酶的表达也出现不平衡。rGDF11治疗，尤其是4.0 ng/kg的剂量，通过下调SSAO和上调ADH5及ALDH2，剂量依赖性地恢复了突触蛋白表达并使FA代谢恢复正常。

结论

外源性rGDF11通过抑制海马区FA积累并调节FA代谢酶来恢复突触完整性，从而改善CUMS诱导的认知障碍。这些发现表明GDF11可能是治疗与压力相关的认知障碍的潜在靶点。

引言

慢性压力指的是长期、持续的压力因素对身体的影响，如长期的工作压力、人际关系紧张和财务困难（Yaribeygi等人，2017年）。慢性压力会对认知功能产生深远负面影响，包括注意力不集中、记忆力减退、思维迟缓和决策能力下降，从而干扰个人的学习、工作效率和整体生活质量（Chen等人，2024年；DiSabato等人，2021年；Li等人，2023年；Ma等人，2023年）。然而，目前针对慢性压力引起的认知障碍的治疗方法仍然有限。因此，迫切需要探索新的预防和治疗方法来改善遭受慢性压力的人的认知功能。 尽管与压力相关的认知衰退的神经生物学机制是多方面的，但新兴证据表明，内源性代谢物的失调是一个关键因素。其中，甲醛（FA）作为一种高反应性的内源性羰基化合物，因其神经毒性潜力而受到关注（Songur等人，2010年）。在生理条件下，FA水平受到半卡巴嗪敏感胺氧化酶（SSAO）（Boor等人，1992年）等合成酶以及包括乙醇脱氢酶5（ADH5）和醛脱氢酶2（ALDH2）在内的解毒酶的严格调控（Dingler等人，2020年），生产和清除之间的动态平衡维持着细胞和组织的稳态（Tian等人，2024年）。然而，慢性压力会破坏这种稳态，导致海马区（对学习和记忆至关重要的脑区）中FA的病理性积累（Tong等人，2013年；Yu等人，1997年）。升高的FA会促进蛋白质错误折叠，引发氧化应激和神经炎症，并破坏突触完整性，从而导致认知功能障碍（Gu等人，2024年；Kou等人，2022年；Tong等人，2011年）。尽管有这些认识，但在慢性压力背景下针对FA代谢的治疗策略仍然很大程度上未被探索。 生长分化因子11（GDF11）属于转化生长因子-β（TGF-β）超家族，在神经发育、突触可塑性和认知功能中发挥重要作用（Egerman和Glass，2019年；Katsimpardi等人，2014年；Nakashima等人，1999年）。最近的研究表明，GDF11在衰老和神经退行性疾病模型中具有神经保护作用，部分是通过维持突触结构和功能实现的（Wang等人，2023年；Zhang等人，2018年）。我们之前的工作进一步证明，GDF11介导了硫化氢对慢性压力诱导的认知障碍的保护作用（Wang等人，2024年），并挽救了神经元细胞中由FA引起的铁死亡（Tang等人，2023年）。这些发现表明GDF11可能调节FA代谢；然而，它是否通过调节海马区FA稳态直接减轻慢性压力引起的认知缺陷尚不清楚。 基于上述证据，我们假设外源性rGDF11通过恢复海马区的甲醛代谢平衡来改善慢性不可预测的轻度压力（CUMS）引起的认知障碍，从而保护突触可塑性和认知功能。为了验证这一假设，我们使用了成熟的CUMS大鼠模型，并通过脑室内注射重组GDF11（rGDF11）进行实验。使用Y迷宫、新物体识别（NOR）和Morris水迷宫（MWM）测试来评估认知表现。测量海马区FA水平以及关键代谢酶（SSAO、ADH5、ALDH2）和突触标志物（SYN-1、PSD-95）的表达，以阐明其作用机制。

试剂

重组GDF11（rGDF11）购自R&D Systems（美国明尼苏达州）。三溴乙醇购自南京艾贝生物科技有限公司（中国南京）。人工脑脊液（ACSF）购自安徽乐基因生物科技有限公司（中国安徽淮北）。山羊抗小鼠IgG、山羊抗兔IgG、GAPDH抗体和β-Actin抗体购自Proteintech Group, Inc.（美国伊利诺伊州）。

外源性rGDF11在NOR测试中减轻CUMS暴露大鼠的认知障碍

为了探究GDF11是否能够减轻CUMS引起的认知障碍，我们首先使用NOR测试（图3A）来研究rGDF11对CUMS暴露大鼠认知障碍的影响。在NOR测试中，暴露于CUMS的大鼠的辨别指数显著降低（F_{5, 36} = 19.651，P < 0.001，η²p = 0.732；图3B），表明其识别记忆能力受损。而rGDF11（1.2、4.0 ng/kg，脑室内注射）提高了CUMS暴露大鼠的辨别指数（F_{5, 36} = 19.651）。

讨论

本研究探讨了GDF11对慢性压力引起的认知障碍的影响及其机制。主要发现如下：(1) rGDF11减轻了CUMS暴露大鼠海马组织中突触可塑性蛋白的表达下降；(2) rGDF11调节FA代谢酶的表达，对抗CUMS暴露大鼠海马区内源性FA的积累。这些结果表明rGDF11...

CRediT作者贡献声明

陈书静：撰写初稿、数据可视化、软件使用、方法学设计。 刘芬：项目管理、方法学设计、实验实施。 姜佳梅：数据验证、正式分析、数据管理。 易莉莉：实验监督、资金筹集。 张萍：项目监督、资源调配、项目管理。 邹伟：项目管理、正式分析。 杨三桥：撰写、审稿与编辑、数据可视化、验证、方法学设计。 唐晓晴：撰写、审稿与编辑、实验监督。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了湖南省自然科学基金（项目编号：2023JJ30533和2025JJ81092）以及湖南省卫生健康委员会健康与医学研究项目（重点项目）（项目编号：20256657）的支持。作者感谢中南大学药学院药理学研究所的何龙伟和程丹提供了甲醛探针和技术支持，帮助检测内源性甲醛水平。