慢性应激下前额叶神经血管星形胶质细胞功能障碍与性别特异性认知行为缺陷的关联研究

《Molecular Psychiatry》：Stress-induced dysfunction of neurovascular astrocytes in the prefrontal cortex contributes to sex-dependent deficits in cognition and behavior

为探究水通道蛋白 4（AQP4）在介导应激诱导的神经血管功能和行为改变中的作用，以及慢性不可预测应激（CUS）对星形胶质细胞表型、血脑屏障（BBB）完整性和行为的性别差异影响，研究人员开展相关研究。结果表明，前额叶星形胶质细胞表型和神经血管完整性的性别特异性改变导致应激后的认知行为变化，该研究为相关疾病机制研究提供了重要依据。

　　在神经科学的广阔领域中，大脑的奥秘始终吸引着众多科研人员不断探索。星形胶质细胞作为神经血管单元的重要组成部分，其围绕脑血管的终足富含水通道蛋白 4（AQP4），在水和离子交换、维持血管形态等方面发挥着关键作用。然而，在慢性心理应激以及抑郁症（MDD）患者的大脑中，出现了 AQP4 减少、星形胶质细胞结构丧失和血管受损等现象。但 AQP4 在应激诱导的神经血管功能和行为改变中的具体作用尚不明确，且性别差异对这些变化的影响也有待研究。为了解开这些谜团，美国辛辛那提大学医学院（University of Cincinnati College of Medicine）的研究人员展开了深入研究。
该研究成果发表在《Molecular Psychiatry》杂志上，为理解慢性应激对大脑的影响以及相关疾病的机制提供了重要线索。
在研究过程中，研究人员运用了多种关键技术方法。首先，通过构建慢性不可预测应激（CUS，持续 14 天）和亚慢性不可预测应激（sub - CUS，持续 7 天）小鼠模型，模拟不同程度的应激状态。然后，利用短发夹 RNA（shRNA）介导的方法敲低小鼠前额叶皮层（PFC）中的 Aqp4 基因。此外，借助行为和认知测试，如旷场实验（OFT）、强迫游泳实验（FST）、时间顺序识别测试（TOR）和认知 T 迷宫任务，评估小鼠的行为和认知能力。还通过 Percoll 梯度富集和荧光激活细胞分选（FACS）技术分离星形胶质细胞，进行基因表达分析，并运用免疫组织化学和定量免疫荧光技术检测相关蛋白的表达和血管变化情况。
研究结果如下：

1. 暴露于慢性应激诱导认知和行为的性别依赖性改变：对接受 CUS 的雄性和雌性小鼠进行多种行为测试发现，CUS 使雄性小鼠在 FST 中的不动时间显著增加，在 OFT 中探索中心区域的时间减少，在 TOR 中的物体辨别能力下降，在 T 迷宫任务中的自发交替行为受损；而雌性小鼠在这些测试中的变化相对较小。这表明 CUS 对认知和行为的影响存在性别差异，且雄性小鼠在 PFC 介导的工作记忆任务中受影响更明显。
2. 慢性应激影响雄性和雌性 PFC 星形胶质细胞的分子表型，广泛参与雄性星形胶质细胞 - 血管通讯途径：对行为测试后的小鼠进行 PFC 星形胶质细胞基因表达分析，发现 CUS 降低了雄性和雌性小鼠星形胶质细胞中中间丝基因 Gfap 和 Vim 的表达，减少了雄性小鼠中 S100b mRNA 的表达，增加了雄性小鼠中 Mertk、Fgf2、Aqp4 和 Angpt1 等基因的表达，而在雌性小鼠中这些基因的表达变化则相反。这体现了慢性应激对前额叶皮层星形胶质细胞基因表达的性别特异性影响，且雄性小鼠中与血管相互作用相关的基因表达增加。
3. 应激诱导的 PFC 星形胶质细胞萎缩与雄性小鼠神经血管 AQP4 丧失和工作记忆功能障碍相关，雌性小鼠则无此关联：对小鼠进行血脑屏障通透性和星形胶质细胞 - 神经血管相互作用的检测，发现 CUS 导致雄性小鼠 PFC 中星形胶质细胞萎缩（GFAP?结构丧失），AQP4?物质和星形胶质细胞 AQP4 对血管的覆盖减少，血管面积增加，血脑屏障通透性增强；而雌性小鼠的这些变化与雄性相反。并且，在雄性小鼠中，星形胶质细胞结构的重塑与血管 AQP4 覆盖的丧失和 TOR 中的行为障碍相关，雌性小鼠则不存在这种关联。
4. 敲低 PFC 中的 AQP4 导致雄性小鼠认知应激易感性增加，并破坏 PFC 星形胶质细胞的分子表型：在小鼠 PFC 中敲低 AQP4 后，对雄性小鼠进行行为测试和基因表达分析。结果显示，敲低 AQP4 使雄性小鼠在接受 sub - CUS 后，在 TOR 中出现物体辨别缺陷，在 T 迷宫任务中的交替次数减少；同时，基因表达发生改变，包括 S100b、Aqp4、Megf10、Vegf 和 Agt 等基因的表达下降。这表明 PFC 星形胶质细胞中 AQP4 的缺失会导致雄性小鼠认知应激易感性增加，并破坏星形胶质细胞的分子表型。
5. AQP4 敲低和 sub - CUS 诱导雄性小鼠星形胶质细胞营养不良：对另一组雄性小鼠进行检测，发现敲低 AQP4 减少了 PFC 中 ALDH1L1?星形胶质细胞的密度，sub - CUS 导致星形胶质细胞萎缩，表现为 GFAP?物质、血管相关 GFAP?物质、AQP4?物质和星形胶质细胞 AQP4 对血管的覆盖减少。这进一步证明了 AQP4 敲低和 sub - CUS 对雄性小鼠 PFC 星形胶质细胞结构的破坏作用。
6. sub - CUS 导致雌性小鼠行为缺陷和星形胶质细胞肥大，与 AQP4 敲低无关，前额叶 AQP4 的缺失破坏星形胶质细胞结构：对雌性小鼠进行类似实验，发现 sub - CUS 使雌性小鼠在 TOR 中的物体辨别能力下降，自发交替行为减少，同时导致星形胶质细胞肥大（GFAP?物质增加）；敲低 AQP4 虽然改变了星形胶质细胞的结构，但对雌性小鼠的认知应激易感性影响较小。这说明雌性小鼠对 sub - CUS 有反应，且 PFC 星形胶质细胞中 AQP4 的缺失对其认知应激易感性影响不大。
   研究结论和讨论部分指出，慢性应激在雄性小鼠中导致 PFC 星形胶质细胞萎缩和 AQP4?终足对血管覆盖减少，与行为和认知后果相关；而在雌性小鼠中，慢性应激的影响则有所不同。机制研究表明，病毒介导的 PFC 星形胶质细胞中 AQP4 敲低足以改变星形胶质细胞的表型和结构，使雄性小鼠在亚阈值应激模型中出现行为易感性，而在雌性小鼠中则影响较小。这些发现与近期对 MDD 患者的转录组研究结果相似，支持了前额叶星形胶质细胞和 AQP4 对血管覆盖在慢性心理应激和 MDD 中的性别特异性作用。该研究为进一步理解慢性应激对大脑的影响以及相关疾病的发病机制提供了重要依据，有助于开发针对不同性别患者的个性化治疗策略。