星形胶质细胞BMP信号通路在帕金森病中的作用机制及干预策略研究

《Cell Death Discovery》：Inhibition of astrocyte BMP signaling alleviates neuroinflammation in experimental models of Parkinson’s disease

本研究针对帕金森病(PD)中星形胶质细胞功能异常如何导致多巴胺能神经元死亡的机制难题，通过单核RNA测序(snRNA-seq)技术揭示了BMP信号通路在PD中的特异性激活。研究发现抑制星形胶质细胞BMP信号可显著降低Nlrp3、IL-1β和TNF-α等炎症因子表达，改善MPTP诱导的PD小鼠模型运动功能障碍并减少多巴胺能神经元丢失，为PD治疗提供了新的潜在靶点。

　　

在神经退行性疾病研究领域，帕金森病(Parkinson's disease, PD)作为第二常见的神经退行性疾病，其临床特征包括震颤、运动迟缓和姿势平衡障碍等运动症状，以及抑郁、焦虑等非运动症状。尽管全球约有1-2%的65岁以上老年人受其影响，但迄今为止该疾病仍缺乏根本性的治疗方法。PD的主要病理特征包括α-突触核蛋白(α-Syn)的异常聚集和黑质致密部(substantia nigra pars compacta, SNpc)多巴胺能神经元的进行性丢失。近年来，星形胶质细胞(astrocyte)在中枢神经系统中的重要作用日益受到关注，这些细胞不仅参与维持脑内环境稳定，还能通过释放各种神经营养因子支持神经元功能。然而，由于细胞异质性和疾病进展的复杂性，星形胶质细胞在PD发生发展中的具体作用机制尚未完全阐明。

针对这一科学问题，河北医科大学的研究团队在《Cell Death Discovery》上发表了最新研究成果。该研究通过整合单核RNA测序(snRNA-seq)和细胞通讯分析等技术，系统揭示了星形胶质细胞BMP(bone morphogenetic protein)信号通路在PD中的关键作用。研究人员发现抑制该通路可显著减轻神经炎症，从而为PD的治疗提供了新的思路。

研究主要采用了以下关键技术方法：使用MPTP(1-甲基-4-苯基-1,2,3,6-四氢吡啶)诱导的亚急性PD小鼠模型；通过单核RNA测序(snRNA-seq)分析中脑黑质区细胞转录组；利用Monocle2进行伪时间分析追踪星形胶质细胞状态转变；采用CellChat算法推断细胞间通讯网络；通过免疫荧光染色、Western blot和行为学测试验证分子机制和表型。人类中脑单细胞RNA测序数据来源于GEO数据库的GSE157783数据集。

星形胶质细胞DEGs及功能分析

研究人员首先对MPTP处理的PD模型小鼠和对照组小鼠黑质区的星形胶质细胞进行差异表达基因(differentially expressed genes, DEGs)分析，发现190个显著差异表达基因(102个下调，88个上调)。基因集富集分析(Gene Set Enrichment Analysis, GSEA)显示，PD组星形胶质细胞中"帕金森病通路"、"氧化磷酸化"、"胶质细胞分化"和"BMP信号通路调控"等通路被激活，而"神经递质分泌调控"、"钙离子稳态"和"葡萄糖代谢过程调控"等通路受到抑制。

星形胶质细胞亚群重建

通过重新聚类分析，研究人员将星形胶质细胞划分为5个不同的亚群(簇0-4)。每个亚群表现出独特的基因表达特征和功能富集：簇0富含小GTP酶介导的信号转导相关基因；簇1与谷氨酸受体信号通路和神经元凋亡相关；簇2主要参与髓鞘相关过程；簇3促进神经元存活和神经发生；簇4则特异性表达Gfap和Aqp4，主要涉及免疫反应和补体激活。

星形胶质细胞轨迹分析

伪时间分析显示，星形胶质细胞从相对不成熟的簇2(高表达Adamts5)向两个分支分化：一支发展为具有神经保护特性的簇3，另一支则发展为神经毒性亚型簇1(高表达Lcn2和Bcl2)。值得注意的是，PD组中簇1的比例显著高于对照组，且该簇中Nlrp3和IL-1β等炎症相关基因表达显著上调，表明星形胶质细胞在PD进展中逐渐向神经毒性表型转化。

细胞通讯分析揭示BMP信号通路特异性激活

CellChat分析发现BMP信号通路在PD组中特异性激活，其中Bmp6是主要配体，星形胶质细胞是重要的信号接收者和调节者。在MPTP诱导的PD小鼠模型中，免疫荧光染色显示p-Smad1/5/9磷酸化水平显著升高，表明BMP信号通路被激活。使用BMP信号通路抑制剂DMH1处理后，小鼠运动功能得到改善，黑质区酪氨酸羟化酶(tyrosine hydroxylase, TH)阳性神经元数量增加。

星形胶质细胞BMP信号通路在MPTP小鼠模型中的激活

进一步分析显示，星形胶质细胞是BMP信号的重要接收者，在"过渡状态"的簇4中，BMP信号下游靶基因Id1、Id2和Id4表达显著上调。免疫荧光双标染色证实，PD组中Aldh1I1阳性的星形胶质细胞内p-Smad1/5/9水平明显升高，而DMH1处理可逆转这一现象。体外实验中，MPP+处理的星形胶质细胞也表现出BMP信号通路激活，而通过siRNA抑制ALK2受体可减轻这种激活。

BMP信号通路激活导致促炎细胞因子释放

机制研究表明，BMP信号通路激活可促进星形胶质细胞释放Nlrp3、IL-1β和TNF-α等促炎细胞因子。使用外源性重组Bmp6处理星形胶质细胞后，这些炎症因子表达显著上调；而抑制BMP信号则产生相反效果。将经过处理的星形胶质细胞条件培养基用于培养多巴胺能神经元(MN9D细胞系)，发现抑制星形胶质细胞BMP信号可提高神经元中TH表达，表明其对多巴胺能神经元具有保护作用。

抑制星形胶质细胞BMP信号改善MPTP处理小鼠的运动功能

为在体验证上述发现，研究人员通过立体定位注射技术，向小鼠黑质区注射了星形胶质细胞特异性表达shRNA靶向ALK2受体的腺相关病毒(AAV)。结果显示，特异性抑制星形胶质细胞BMP信号可显著改善PD小鼠的运动功能，增加黑质区TH阳性神经元数量，进一步证实了靶向星形胶质细胞BMP信号通路的治疗潜力。

本研究通过多维度实验证实了星形胶质细胞BMP信号通路在PD发病机制中的关键作用。研究发现不仅揭示了星形胶质细胞在PD进展中的动态变化和异质性特征，还阐明了BMP信号通路通过调控神经炎症影响多巴胺能神经元存活的具体机制。这些发现为理解PD的细胞分子机制提供了新视角，为开发针对星形胶质细胞的PD治疗策略奠定了理论基础。特别值得注意的是，该研究在MPTP诱导的小鼠PD模型和人类PD单细胞测序数据中均观察到BMP信号通路的一致性激活，增强了研究结果的临床相关性。未来研究可进一步探索BMP信号通路与其他PD相关通路之间的交叉对话，以及其在其他神经退行性疾病中的潜在作用。