邱偉/湯常永團隊闡明視神經(jīng)脊髓炎相關(guān)認知功能障礙的新機制

近日，中山大學附屬第三醫(yī)院腦病中心邱偉/湯常永團隊在國際知名期刊Science Advances發(fā)表了題為“CHI3L1 signaling impairs hippocampal neurogenesis and cognitive function in autoimmune-mediated neuroinflammation”的研究論文。該研究發(fā)現(xiàn)NMOSD患者血液和腦脊液中CHI3L1的表達水平顯著升高，并與認知功能障礙相關(guān)評分存在相關(guān)性。

團隊通過NMOSD細胞和動物模型及多種實驗方法證實了患者來源或者小鼠來源的AQP4-IgG能夠明顯地激活星形膠質(zhì)細胞釋放大量炎癥因子（包括CHI3L1），并且顯著抑制海馬神經(jīng)干細胞的增殖分化，進而造成海馬相關(guān)認知功能障礙。在星形膠質(zhì)細胞中特異性敲除CHI3L1，可明顯改善NMOSD動物模型小鼠認知功能。同時發(fā)現(xiàn)，CHI3L1通過與神經(jīng)干細胞上CRTH2受體結(jié)合的機制抑制β-catenin信號通路，進一步導致神經(jīng)發(fā)生異常和認知功能障礙。

視神經(jīng)脊髓炎譜系疾病(neuromyelitis optica spectrum disorders，NMOSD)是我國最常見的一種免疫介導的中樞神經(jīng)系統(tǒng)炎性脫髓鞘疾病。NMOSD患者復發(fā)率及致殘率高，90%以上的患者呈現(xiàn)反復發(fā)作病程，隨著對NMOSD認識的加深，NMOSD患者的認知障礙逐漸引起關(guān)注。評估NMOSD的認知障礙及其損傷機制、影像學表現(xiàn)及相關(guān)治療理論知識仍極其缺乏。因此，深入研究NMOSD認知功能損害發(fā)生的病理生理機制及尋找認知障礙標志物，這將有利于盡早采取有效措施延緩NMOSD認知功能的下降，為NMOSD早期診斷及治療提供幫助。

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△原文鏈接 www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adg8148

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AQP4-IgG刺激星形膠質(zhì)細胞釋放多種炎癥因子：該研究首先利用RT-qPCR驗證了AQP4抗體（AQP4-IgG）可以誘導星形膠質(zhì)細胞增加CHI3L1的表達。通過免疫熒光染色，進一步闡明了AQP4抗體可激活星形膠質(zhì)細胞CHI3L1的表達，并導致AQP4表達降低及內(nèi)化。轉(zhuǎn)錄組測序分析發(fā)現(xiàn)，AQP4-IgG刺激星形膠質(zhì)細胞分泌大量的炎癥因子（包括CHI3L1）（圖1）。

△圖1：AQP4-IgG可以激活星形膠質(zhì)細胞分泌炎性因子及CHI3L1

CHI3L1水平與海馬認知功能相關(guān)性分析: 該研究還對NMOSD患者血清、腦脊液及腦活檢病理切片進行了分析，證實NMOSD患者中CHI3L1水平明顯升高；通過對海馬影像學及相關(guān)認知功能評分分析，發(fā)現(xiàn)NMOSD患者認知功能下降可能與海馬體積改變有關(guān)，左、右海馬體積與血清中CHI3L1含量成一定負相關(guān)；經(jīng)CHI3L1蛋白刺激后，神經(jīng)干細胞（NSCs）的增殖和分化被顯著抑制；而預先在AQP4-IgG刺激后的星形膠質(zhì)細胞的條件培養(yǎng)基中加入CHI3L1中和抗體去除CHI3L1，則能夠明顯改善神經(jīng)干細胞增殖和分化（圖2）。

△圖2：CHI3L1的表達水平及與海馬認知功能的相關(guān)性分析

注射AQP4-IgG導致成體神經(jīng)發(fā)生缺陷及認知功能障礙：團隊利用腦立體定位注射技術(shù)向海馬注射AQP4-IgG ，4周后進行相關(guān)行為學實驗。曠場實驗中，注射AQP4-IgG組小鼠運動總路程及中央?yún)^(qū)域跨越次數(shù)均減少；在莫里斯水迷宮(MWM)中，AQP4-IgG組小鼠穿越目標象限的次數(shù)減少，尋找到平臺所用時間更長。團隊進一步將這些小鼠腦冰凍切片進行免疫熒光染色，發(fā)現(xiàn)EdU⁺增殖細胞、EdU⁺GFAP⁺Sox2⁺ 神經(jīng)干細胞和EdU⁺GFAP^-Sox2⁺ 前體細胞、BrdU⁺DCX⁺未成熟神經(jīng)元和BrdU⁺NeuN⁺成熟神經(jīng)元的細胞數(shù)量均較對照組減少（圖3）。

△圖3：NMOSD海馬局部注射小鼠模型中神經(jīng)發(fā)生及認知功能的影響

特異性敲除星形膠質(zhì)細胞中CHI3L1，可改善NMOSD模型小鼠海馬神經(jīng)發(fā)生缺陷及認知功能障礙：本研究進一步應(yīng)用Chil1^flox/flox小鼠，特異性敲除星形膠質(zhì)細胞中CHI3L1，能夠挽救NMOSD動物模型的海馬神經(jīng)發(fā)生缺陷及認知功能障礙（圖4）。

△圖4：特異性敲除星形膠質(zhì)細胞中CHI3L1可改善NMOSD神經(jīng)發(fā)生缺陷及認知功能障礙

CHI3L1/CRTH2通過抑制β-catenin信號通路抑制NSCs增殖和分化：通過免疫熒光共標記發(fā)現(xiàn)，僅CRTH2在神經(jīng)干細胞中表達。并發(fā)現(xiàn)CHI3L1蛋白刺激NSCs可以明顯抑制β-catenin的表達，而利用表達shRNA的慢病毒敲除NSCs中CRTH2后，β-catenin的表達得到了明顯恢復；同時發(fā)現(xiàn)，敲降CRTH2受體能夠挽救CHI3L1對神經(jīng)干細胞增殖分化的抑制作用。因此，調(diào)控CHI3L1/CRTH2/β-catenin信號通路可以改善NMOSD小鼠模型中神經(jīng)干細胞增殖分化缺陷（圖5）。

△圖5：CHI3L1抑制海馬神經(jīng)發(fā)生的相關(guān)受體及下游信號通路

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該研究首次證明了CHI3L1為NMOSD患者和小鼠模型中成體神經(jīng)發(fā)生缺陷及認知功能障礙的關(guān)鍵分子。抑制NMOSD模型小鼠中的星形膠質(zhì)細胞分泌CHI3L1可以明顯促進成體海馬神經(jīng)發(fā)生，并改善認知功能的缺陷；同時也證明了CHI3L1/CRTH2/β-catenin信號通路在NMOSD成體神經(jīng)發(fā)生相關(guān)認知功能障礙中的重要作用。該研究結(jié)果不僅深入闡明了NMOSD相關(guān)認知功能障礙的新機制，也為改善神經(jīng)系統(tǒng)自身免疫炎性疾病認知功能障礙提出新的研究靶點。

姜維博士后、祝帆科研助理、徐輝明博士為共同第一作者，邱偉教授、湯常永副研究員、Alvin Huang教授為共同通訊作者。該研究得到了中山大學附屬第三醫(yī)院實驗醫(yī)學部韓曉燕主任、丘秀生、梁淑珍、蔡程程、陳雪芳和胡宇等管理員的支持和幫助。