高分辨魔角旋转核磁共振技术揭示阿尔茨海默病小鼠模型的代谢奥秘

为解决阿尔茨海默病（AD）早期检测难题，研究人员用 HRMAS NMR 技术研究小鼠，发现相关代谢物变化，助力 AD 诊断。

　　阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease，AD），这个名字听起来或许有些陌生，但它所引发的病症 —— 老年痴呆，却广为人知。在全球老龄化趋势加剧的当下，AD 患者数量日益增多，给家庭和社会带来了沉重负担。目前，AD 的诊断面临着巨大挑战，它如同一个隐匿的 “杀手”，在患者生前，人们难以准确地揪出它。现有的诊断方法往往依赖于死后对脑组织的分析，这就使得早期发现和干预 AD 变得极为困难。为了攻克这一难题，来自美国哈佛医学院附属麻省总医院等机构的研究人员开展了一项重要研究，相关成果发表在《Translational Psychiatry》杂志上。

在这项研究中，研究人员运用了高分辨魔角旋转核磁共振技术（High-Resolution Magic Angle Spinning Nuclear Magnetic Resonance，HRMAS NMR），对 AD 小鼠模型的脑组织和血浆进行了深入探究。研究人员选用了 14 月龄的 5XFAD 转基因 AD 小鼠（n=15，8 只雌性，7 只雄性）以及 12 月龄的雌性 C57/BL6 野生型小鼠（n=8）。实验时，小鼠经二氧化碳安乐死后，迅速获取其大脑的皮层和海马体组织样本，同时采集血液样本。随后，利用 HRMAS NMR 技术，在特定条件下对样本进行检测，并借助专业软件对所得光谱数据进行细致分析。

HRMAS NMR 光谱感兴趣区域

HRMAS NMR 技术展现出强大的能力，它能够在毫克（10mg）和微升（10μl）尺度下，分别为完整的脑组织和血浆样本生成高分辨率的 NMR 光谱。通过对光谱的分析，研究人员发现 AD 小鼠和野生型小鼠的大脑皮层、海马体以及血浆的光谱存在明显差异。

光谱区域在 AD 和 WT 组之间的差异

通过对所有感兴趣区域（ROI）进行单变量分析，研究人员绘制出火山图，清晰地展示出 AD 组和野生型（WT）组之间的光谱区域差异。这些差异为后续寻找与 AD 相关的代谢物变化提供了重要线索。

通过主成分分析揭示的代谢组学差异

研究人员对 51 个光谱区域进行了无监督主成分分析（Principal Component Analysis，PCA），构建出代谢组学椭圆体。结果显示，AD 小鼠和 WT 小鼠的代谢组学椭圆体存在明显区分，这表明两组小鼠在代谢层面存在显著差异。

单变量 Wilcoxon 和 PCA 测试揭示的显著光谱区域

经过单变量 Wilcoxon 测试和 PCA 分析，研究人员确定了一些在区分 AD 和 WT 小鼠时具有重要作用的光谱区域。这些区域的发现，为进一步明确与 AD 相关的代谢物变化提供了关键依据。

潜在的贡献代谢物

结合上述分析结果，研究人员筛选出了一系列与 AD 相关的潜在代谢物。这些代谢物在 AD 小鼠和 WT 小鼠之间呈现出不同的变化趋势，它们参与了多种生理过程，与 AD 的发生发展密切相关。

研究人员发现，在 AD 小鼠的大脑皮层和海马体中，乳酸（lactic acid）水平显著升高，血浆中也有升高趋势。乳酸通常在糖酵解过程中由丙酮酸（pyruvate）还原产生，其水平的异常升高可能源于线粒体功能异常或乳酸清除障碍，进而影响大脑的正常生理功能。在 AD 的发展过程中，星形胶质细胞分泌乳酸增多，会促进 Aβ 斑块沉积；而神经元摄取乳酸增加，则可能导致线粒体活性降低、细胞质酸化，最终引发神经元死亡。此外，研究还发现血浆中葡萄糖 - 6 - 磷酸（glucose-6-phosphate）水平下降，这或许暗示其通过糖酵解转化为丙酮酸，同时也可能意味着戊糖磷酸途径下调，该途径生成的代谢物原本具有减轻神经元氧化应激、保护神经元的作用。

在 AD 小鼠的大脑皮层和海马体中，反式乌头酸（trans-aconitic acid）水平升高，而在血浆中则下降；顺式乌头酸（cis-aconitic acid）在血浆中的水平也下降，同时血浆中柠檬酸（citrate）水平升高。这些变化表明，Krebs 循环在 AD 小鼠体内可能受到了干扰。反式乌头酸作为 Krebs 循环中乌头酸酶的竞争性抑制剂，其在脑组织中的增加可能进一步抑制 Krebs 循环；而海马体中柠檬酸水平的降低，可能意味着其转化为丙酮酸，同时大脑的抗炎活性也有所降低。

研究还观察到，AD 小鼠大脑皮层中半乳糖醇（galactitol）和 L - 半胱氨酸（L-cysteine）水平显著下降。半乳糖醇是半乳糖的还原产物，它在神经元中的积累会产生自由基，引发氧化应激和线粒体功能障碍。L - 半胱氨酸具有抗氧化作用，其水平下降可能会加剧细胞内的氧化应激。此外，AD 小鼠的大脑组织和血浆中丙酸（propionate）水平升高，血浆中甜菜碱（betaine）水平显著下降。丙酸与人类认知能力下降风险增加有关，它会干扰线粒体功能，产生活性氧物种（ROS），进而导致神经退行性变；甜菜碱则对缓解神经退行性认知障碍具有积极作用，其水平下降可能会加重 AD 的病理改变。

在 AD 小鼠的大脑皮层和血浆中，牛磺酸（taurine）水平显著下降，而在海马体中则有升高趋势。牛磺酸具有神经保护作用，但其在 AD 中的作用机制尚不明确。同时，研究还发现大脑组织中二甲胺（dimethylamine，DMA）水平下降，DMA 是不对称二甲基精氨酸（ADMA）的分解产物，AD 中氧化应激增加会抑制 ADMA 分解酶的活性，导致 DMA 生成减少。一氧化氮（NO）在 AD 中具有双重作用，调节 NO 代谢可能成为治疗 AD 的潜在靶点。

此外，研究人员还发现一些代谢物在不同样本类型中呈现出相同的变化趋势，如乳酸、丙酮酸和丙酸，它们可能通过影响葡萄糖氧化和线粒体功能参与 AD 的发生发展；甲醇（methanol）在所有样本中水平均升高，它会导致神经元 tau 蛋白磷酸化，促进 Aβ 蛋白在海马体中的沉积；3 - 羟基异戊酸（3-hydroxyisovaleric acid，3-HIVA）在所有样本中水平均下降，其水平降低可能与亮氨酸水平降低有关，且与严重的认知能力下降相关。

这项研究利用 HRMAS NMR 技术，成功地在 AD 小鼠模型的血液血浆和脑组织中鉴别出 AD 与 WT 小鼠的差异，发现了一系列与葡萄糖和能量代谢、氧化应激以及神经通路相互作用相关的代谢物显著变化。这些发现为 AD 的体内评估提供了新的思路，有望开发出非侵入性的 AD 诊断新方法。同时，也有助于临床医生监测未来潜在治疗方法的效果，推动人们对 AD 代谢机制的深入理解，为攻克 AD 这一难题带来了新的希望。