单细胞转录组揭示益生菌逆转新生儿吗啡暴露诱导的青春期痛觉过敏的基因调控机制

《Communications Biology》：Single-cell transcriptomics reveals probiotic reversal of neonatal morphine-induced gene disruptions underlying adolescent pain hypersensitivity

语 为解决新生儿重症监护室（NICU）中吗啡镇痛引发的长期神经发育缺陷问题，本研究通过单细胞RNA测序（scRNA-seq）分析了青春期小鼠中脑的细胞特异性转录组变化。研究发现，新生儿吗啡暴露（NME）导致HOX基因下调及神经递质信号通路异常，而益生菌Bifidobacterium infantis（B. infantis）干预可逆转上述改变，并缓解神经病理性疼痛通路激活。该研究首次揭示了肠道微生物通过肠-脑轴调控早期阿片暴露引起的转录组紊乱，为 microbiome-targeted 干预策略提供了新靶点。

　　

在新生儿重症监护室（NICU）中，吗啡作为镇痛药物被广泛用于接受手术或有创操作的新生儿。然而，越来越多的证据表明，新生儿期阿片暴露（NME）可能对疼痛通路的神经发育产生长期不良影响，包括青春期痛觉敏感性增强、运动活动改变以及认知学习能力受损。尤其值得关注的是，女性在青春期经历慢性疼痛的比例高于男性，因此深入研究早期阿片暴露对女性神经系统的特异性影响具有重要临床意义。中脑作为疼痛处理和阿片介导镇痛的核心区域，其细胞类型特异性转录调控机制尚未明确。此前的研究通过组织整体RNA测序发现，NME可导致中脑基因表达谱改变，而益生菌Bifidobacterium infantis（B. infantis）能够通过恢复肠道菌群失调和减轻神经炎症，逆转痛觉过敏表型。但整体组织分析无法揭示不同细胞类型的异质性响应，限制了对NME长期效应的细胞机制理解。

为解决这一问题，研究人员利用单细胞RNA测序（scRNA-seq）技术，对107,427个青春期小鼠中脑细胞进行转录组分析，比较了盐水对照组、吗啡暴露组及吗啡加益生菌干预组的基因表达差异。研究发现，NME虽未显著改变中脑细胞类型比例，但引起神经元、星形胶质细胞、少突胶质细胞等多个细胞群体中数千个基因的差异表达，其中HOX基因家族普遍下调，而神经递质信号、细胞生长增殖等通路显著上调。进一步分析显示，益生菌干预可部分或完全逆转上述转录组紊乱，尤其在谷氨酸能神经元、GABA能神经元、星形胶质细胞和少突胶质细胞中，HOX基因表达显著恢复。此外，细胞通讯分析表明，NME增强了谷氨酸能神经元与胶质细胞之间的双向信号传递（如谷氨酸和神经轴突蛋白通路），而益生菌干预则降低了这种异常通讯。上游调控因子分析提示，视黄酸受体（RARs）及其异二聚体RXR可能是介导HOX基因调控的关键分子。

关键技术方法

研究采用C57BL/6J新生小鼠模型，在出生后第6-7天开始连续5天皮下注射吗啡（5 mg/kg/天）或盐水，并设吗啡加益生菌B. infantis干预组。取青春期雌鼠中脑组织，通过10X Genomics Chromium Fixed RNA Profiling平台进行单细胞RNA测序。数据经Cell Ranger预处理后，使用Seurat包进行细胞聚类和注释，并通过Sc-type流程鉴定13种细胞类型。差异表达基因（DEGs）分析采用Wilcoxon检验（|Log₂FC|>0.25，调整p值<0.005），并通过QIAGEN IPA进行通路富集和上游调控因子分析。细胞通讯网络通过CellChat包解析。

研究结果

1. 新生儿吗啡暴露与益生菌干预未改变青春期小鼠中脑细胞组成

细胞类型比例分析显示，各组间神经元（约40%）、少突胶质细胞（26%）、星形胶质细胞（14%）等主要细胞群体无显著差异，仅垂体细胞比例存在统计学变化（p=0.008）。UMAP图谱显示细胞分布高度一致，表明NME及益生菌干预主要影响转录组而非细胞丰度。

2. 新生儿吗啡暴露改变多种细胞基因表达，尤其下调HOX基因

在吗啡暴露组中，谷氨酸能神经元、GABA能神经元、少突胶质细胞和星形胶质细胞差异表达基因数量均超过1000个，其中HOX基因在多个细胞类型中显著下调（Log₂FC最低达-10）。

3. 吗啡暴露激活神经病理性疼痛通路，益生菌干预逆转其活性

IPA分析显示，NME上调了谷氨酸能神经元和星形胶质细胞中代谢型谷氨酸受体（mGluR）、AMPA受体（GRIA）和NMDA受体相关通路，而益生菌干预后这些通路显著抑制。

4. 益生菌恢复HOX基因表达并改善细胞通讯

在谷氨酸能神经元、星形胶质细胞和少突胶质细胞中，益生菌使HOX基因表达上调64倍（Log₂FC增加6单位），并显著降低谷氨酸通路介导的细胞间通讯强度。

5. 上游调控因子RAR/RXR参与吗啡与益生菌的转录调控

RAR-α、RAR-γ及其异二聚体在NME条件下被预测为抑制状态，而益生菌干预后其活性显著恢复，提示维生素A代谢通路可能介导益生菌的神经保护作用。

结论与意义

本研究首次在单细胞分辨率下揭示了新生儿吗啡暴露通过下调HOX基因、激活疼痛相关通路及增强细胞通讯，导致青春期痛觉过敏的分子机制。益生菌B. infantis通过肠-脑轴部分逆转上述转录组紊乱，尤其恢复HOX基因表达和谷氨酸信号稳态。这些发现不仅阐明了早期阿片暴露对神经发育的长期影响，还为通过微生物靶向干预策略预防阿片相关神经缺陷提供了理论依据。未来需进一步探索益生菌在临床中的应用潜力及性别特异性响应机制。