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APOE4和久坐生活方式协同损害清醒小鼠视觉皮层的神经血管功能
【字体: 大 中 小 】 时间:2025年01月30日 来源:Communications Biology 5.2
英国萨塞克斯大学心理学与萨塞克斯神经科学学院的 Silvia Anderle 等人在Communications Biology期刊上发表了题为 “APOE4 and sedentary lifestyle synergistically impair neurovascular function in the visual cortex of awake mice” 的论文。该研究首次揭示了载脂蛋白 E(APOE)基因的 ε4 等位基因和久坐生活方式会协同损害小鼠视觉皮层的神经血管功能,为理解阿尔茨海默病(AD)的发病机制提供了关键线索,对制定预防和干预策略具有重要意义。
阿尔茨海默病(AD)是一种常见的神经退行性疾病,其早期特征之一是脑血流量减少,这一现象在认知症状出现多年前就已存在,提示血管功能障碍与 AD 发展密切相关。APOE4 是晚发性 AD 最常见的遗传风险因素,携带 APOE4 的个体患 AD 的风险显著增加,且在老年时脑血流量会迅速下降。然而,APOE4 基因型如何导致脑血流量减少以及它与生活方式因素(如体育活动)之间的相互作用尚不清楚。此前研究表明,APOE4 可能通过影响血管密度或神经血管耦合来降低脑血流量,但结果存在差异。此外,体育活动对大脑功能具有积极影响,可增加脑血流量、增强血管密度并促进神经发生和可塑性,APOE4 携带者可能从体育活动中获得更多益处。基于此,本研究旨在探究 APOE4 基因型与小鼠活动水平对神经血管功能的影响,以及体育活动能否改善 APOE4 携带者的神经血管功能。
研究使用了 APOE3-TR 和 APOE4-TR 小鼠,这些小鼠的鼠源 APOE 基因的外显子 2 - 4 被人源 APOE 的相应外显子替换。将它们分别与表达 GCaMP6f(用于神经元钙成像)或 DsRed(用于标记周细胞)的小鼠杂交,实验过程严格遵循英国动物相关法规,并经萨塞克斯大学动物福利和伦理审查委员会批准。
对 8 - 12 周龄的 APOExThy1 - GCaMP6f 小鼠进行颅骨窗手术,在视觉皮层上方植入颅骨窗。手术过程中,小鼠经异氟烷麻醉,给予地塞米松、生理盐水和丁丙诺啡以减轻炎症、脱水和术后疼痛。术后小鼠在加热箱中恢复,并单独饲养,给予美洛昔康进一步缓解疼痛,恢复 2 周后逐渐适应头部固定。
术后,部分小鼠在笼中提供运动轮,部分不提供。通过随机分配和平衡同窝小鼠的方式确定运动条件,若某组样本量较小,则优先分配小鼠以保证样本均衡。
利用 USB 红外摄像头和 Bonsai.rx 软件记录小鼠在笼中的活动水平;对小鼠进行心脏灌注,用荧光明胶标记血管,通过共聚焦显微镜观察血管和周细胞密度;使用 Oxy - CBF 探针记录脑血流、血流速度、血氧饱和度等血流动力学指标;运用双光子显微镜观察血管和神经元活动,测量血管直径、红细胞速度等。
使用 DeepLabCut 软件分析小鼠运动数据,用自定义的 ImageJ 宏和 MATLAB 代码分析血管和周细胞密度,通过自定义 MATLAB 代码提取体内数据,采用线性混合模型(LMM)和主成分分析(PCA)等统计方法进行数据分析,以探究不同因素对神经血管功能的影响。
实验通过在小鼠笼顶安装 USB 红外摄像头,利用 Bonsai.rx 软件连续 72 - 120 小时记录小鼠活动。经 DeepLabCut 软件分析小鼠位置信息,计算出其每小时平均移动距离和每日总移动距离。结果显示,实验开始时 2 月龄小鼠比 6 月龄小鼠更活跃;提供运动轮能有效增加小鼠活动量,但 4 个月后运动轮对小鼠活动量的提升效果减弱,尤其在 APOE4 小鼠中更明显。
研究对 3 月龄 NG2 - DsRed x APOE - TR 小鼠视觉皮层进行组织学分析,结果表明运动可增加毛细血管密度,而 APOE4 基因型对毛细血管密度无显著影响,且两者之间不存在交互作用。同时,运动可使毛细血管直径在周细胞附近增大,改善基线血氧饱和度(sO2),但 APOE4 基因型和运动对基线脑血流、血流速度、总血红蛋白(HbT)和脑代谢率(CMRO2)均无影响。
运用双光子显微镜记录软脑膜血管直径变化,通过功率谱分析发现,运动可增加小鼠软脑膜动脉血管舒缩运动(在 0.1Hz 处的峰值功率增加),不受基因型影响。虽然 APOE4 基因型可能降低血管舒缩运动,但差异未达显著水平,可能受个别活跃 APOE4 小鼠血管的影响。
研究观察小鼠对视觉刺激(5s 开启,25s 关闭,重复 20 次)的宏观血流动力学反应,排除运动干扰后发现,APOE4 久坐小鼠对视觉刺激的反应最小,在速度、HbT 和 sO2 等指标上,基因型和运动存在显著或趋势性的交互作用,而脑血流在 APOE4 小鼠中有降低趋势,且基因型和运动存在趋势性交互作用。
通过双光子显微镜研究软脑膜小动脉、实质小动脉和毛细血管对视觉刺激的反应,发现 APOE4 基因型降低血管反应性,运动则增加反应性。APOE4 小鼠血管反应大小和频率均降低,红细胞速度反应也更不频繁,且 APOE4 久坐小鼠血管反应最弱,尤其是在实验后期。
研究发现,APOE4 基因型和运动影响神经元钙信号,APOE4 久坐小鼠神经元钙信号较小。计算神经血管耦合指数(NVCi)表明,APOE4 小鼠 NVCi 显著降低,运动可增加 NVCi,但 APOE4 小鼠后期 NVCi 更低,且运动对不同血管类型的 NVCi 影响不同,在软脑膜 APOE4 血管中运动可改善 NVCi,而在毛细血管中则无此效果。
对小鼠运动量与神经血管功能各指标进行相关性分析,结果显示,虽然单个相关性在控制错误发现率后不显著,但总体上神经血管功能各指标与运动量的正相关性随时间增强。且神经血管耦合指标与运动量的相关性更强,基础神经血管功能指标与运动量的相关性在老年小鼠中增强,但在 APOE4 小鼠中较弱。
主成分分析(PCA)结果显示,在基础血流动力学反应变量中,未发现实验分组间的明显差异;在其他变量中,实验持续时间显著影响 PC2(主要由血管舒缩运动、软脑膜反应性和软脑膜 NVCi 构成),APOE 基因型有影响趋势,但总体未发现强烈的潜在因素驱动各变量的反应模式。
本研究表明,APOE4 小鼠在视觉皮层存在神经血管功能障碍,在神经元活动增加时,其血管反应与神经元能量需求不匹配,且这种功能障碍在久坐小鼠中更为明显。体育活动能改善多数神经血管功能指标,对 APOE4 小鼠的作用尤为显著,可增加血管反应的频率和大小,改善神经血管耦合。然而,APOE4 携带者在神经元功能、血管功能(如血管舒缩运动降低)和神经血管耦合方面仍存在缺陷,即使运动也难以完全纠正毛细血管水平的神经血管耦合和潜在的基础神经血管功能问题。
这一研究结果为理解 AD 发病机制提供了新视角,解释了以往研究中关于 APOE4 对神经血管功能影响不一致的现象,即 APOE4 基因型本身不一定导致严重的神经血管功能丧失,但会使个体在面临额外压力(如缺乏运动)时,更易出现神经血管损伤。研究还发现,运动改善神经血管功能的机制可能与降低血浆中血管收缩因子内皮素 - 1(ET - 1)水平、增加一氧化氮(NO)生物利用度、调节水通道蛋白 4(AQP4)水平等有关,但具体机制仍需进一步研究。
该研究强调了体育活动对改善 APOE4 携带者脑血管功能、降低痴呆风险的重要性。未来研究可进一步探讨不同运动方式、强度和持续时间对 APOE4 携带者神经血管功能的影响,以及如何通过干预措施优化其神经血管功能,为 AD 的预防和治疗提供更有针对性的策略。
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