【中心科研】中山三院邱偉/湯常永團(tuán)隊(duì)解析多發(fā)性硬化(MS)認(rèn)知功能障礙的發(fā)病機(jī)制
近日，中山大學(xué)附屬第三醫(yī)院腦病中心邱偉/湯常永團(tuán)隊(duì)在國際知名期刊Cell Reports發(fā)表了題為“Astrocyte-derived CHI3L1 signalling impairs neurogenesis and cognition in the demyelinated hippocampus”的研究論文。該研究發(fā)現(xiàn)MS患者血液和腦脊液中CHI3L1的表達(dá)水平顯著升高，并與認(rèn)知功能障礙相關(guān)評分存在明顯的相關(guān)性。另外，研究通過MS動物模型和體外技術(shù)等多種方法證實(shí)雙環(huán)己酮草酰二腙（cuprizone, CPZ）飲食誘導(dǎo)的脫髓鞘模型能顯著激活星形膠質(zhì)細(xì)胞并釋放CHI3L1，抑制海馬神經(jīng)干細(xì)胞的增殖分化，損害成體神經(jīng)元的樹突生長、復(fù)雜性和棘突形成，進(jìn)而造成海馬相關(guān)認(rèn)知功能障礙。在星形膠質(zhì)細(xì)胞中特異性敲除CHI3L1，可明顯減輕神經(jīng)源性缺陷和認(rèn)知功能障礙，而不能逆轉(zhuǎn)海馬的脫髓鞘改變。此外，機(jī)制研究表明，CHI3L1通過與CRTH2/RAGE受體結(jié)合抑制β-catenin的信號傳導(dǎo)，進(jìn)一步導(dǎo)致神經(jīng)發(fā)生異常和認(rèn)知功能損傷。
▲原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.celrep.2024.114226
研究背景
多發(fā)性硬化癥(multiple sclerosis, MS)是一種免疫介導(dǎo)的中樞神經(jīng)系統(tǒng)炎癥脫髓鞘疾病，主要表現(xiàn)為運(yùn)動、感覺、認(rèn)知和神經(jīng)精神功能障礙。值得注意的是，超過50%的MS患者存在認(rèn)知功能損傷。然而，目前的疾病修正治療（disease modifying therapy, DMT）對MS患者的認(rèn)知損傷改善有限。因此，深入研究MS認(rèn)知功能損傷的病理生理機(jī)制，尋找新的治療靶點(diǎn)進(jìn)而延緩MS認(rèn)知功能的下降至關(guān)重要。
研究概況
在脫髓鞘和再髓鞘海馬中，CHI3L1水平、海馬神經(jīng)發(fā)生和認(rèn)知功能呈動態(tài)改變：團(tuán)隊(duì)首先對MS患者的血清和腦脊液進(jìn)行ELISA分析，證實(shí)MS患者中CHI3L1水平明顯升高；通過對認(rèn)知功能相關(guān)評分分析，發(fā)現(xiàn)MS患者認(rèn)知功能下降與血清中CHI3L1含量成一定負(fù)相關(guān)。另外，該研究通過Chow/CPZ喂食和腹腔注射雷帕霉素（rapamycin, Rap）構(gòu)建脫髓鞘和再髓鞘動物模型。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在CPZ/Rap誘導(dǎo)的脫髓鞘海馬中，激活的星形膠質(zhì)細(xì)胞內(nèi)CHI3L1的表達(dá)逐漸上調(diào)，EdU+增殖細(xì)胞、EdU+GFAP+Sox2+ 神經(jīng)干細(xì)胞（neural stem cells, NSCs）和EdU+GFAP-Sox2+ 前體細(xì)胞、BrdU+DCX+未成熟神經(jīng)元的細(xì)胞數(shù)量逐漸減少，神經(jīng)元的樹突長度和復(fù)雜度逐漸下降，學(xué)習(xí)行為受到明顯抑制，而這些改變在再髓鞘過程中得以逆轉(zhuǎn)。結(jié)果表明，脫髓鞘增加星形膠質(zhì)細(xì)胞CHI3L1的表達(dá)，阻礙海馬依賴的神經(jīng)發(fā)生和認(rèn)知功能，而這些影響在髓鞘再生過程中是可逆的（圖1）。
▲圖1?脫髓鞘和再髓鞘海馬中CHI3L1水平、神經(jīng)干細(xì)胞的增殖和認(rèn)知表現(xiàn)的動態(tài)改變
在脫髓鞘海馬中，神經(jīng)干細(xì)胞的分化、新生神經(jīng)元的發(fā)育和功能連接受到抑制：首先，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)CPZ/Rap小鼠海馬內(nèi)未成熟神經(jīng)元(BrdU+DCX+)和成熟神經(jīng)元(BrdU+NeuN+)的細(xì)胞數(shù)量均顯著減少，證實(shí)CPZ/Rap抑制了NSCs的分化。研究團(tuán)隊(duì)利用腦立體定位注射技術(shù)，將標(biāo)記新生神經(jīng)元的RFP逆轉(zhuǎn)錄病毒注射到小鼠海馬DG中，發(fā)現(xiàn)CPZ/Rap處理期間，RFP+新生神經(jīng)元的樹突長度和復(fù)雜性顯著減少。另外，團(tuán)隊(duì)采用了一種偽狂犬病毒逆行單突觸追蹤技術(shù)評估成體新生神經(jīng)元與海馬網(wǎng)絡(luò)之間的整合，結(jié)果發(fā)現(xiàn)CPZ/Rap小鼠海馬成體新生神經(jīng)元的連接性受損?？傊?，研究證實(shí)了脫髓鞘海馬中NSCs的分化、新生神經(jīng)元的發(fā)育和功能連接受到抑制（圖2）。
▲圖2 CPZ/Rap給藥或CHI3L1過表達(dá)對海馬新生神經(jīng)元發(fā)育和功能連接的影響
星形膠質(zhì)細(xì)胞內(nèi)特異性敲除Chil1可改善脫髓鞘海馬的神經(jīng)發(fā)生缺陷及認(rèn)知功能障礙：團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用ALDH1L1-CreERT2；Chil flox/flox（Chil cKO）小鼠，發(fā)現(xiàn)Chil cKO逆轉(zhuǎn)了PZ/Rap處理對NSCs增殖分化、新生神經(jīng)元發(fā)育和認(rèn)知功能造成的損害作用，也就是說，星形膠質(zhì)細(xì)胞內(nèi)特異性敲除Chil1 能夠挽救CPZ/Rap脫髓鞘動物模型的海馬神經(jīng)發(fā)生缺陷及認(rèn)知功能障礙（圖3）。
▲圖3 星形膠質(zhì)細(xì)胞Chil1的缺失對CPZ/Rap小鼠成年海馬神經(jīng)發(fā)生、新生神經(jīng)元發(fā)育和認(rèn)知功能的影響
CHI3L1與RAGE受體結(jié)合，通過減少β-Catenin信號傳導(dǎo)抑制海馬神經(jīng)元發(fā)育：免疫熒光證實(shí)RAGE主要表達(dá)在神經(jīng)元細(xì)胞上。通過逆轉(zhuǎn)錄病毒敲降新生神經(jīng)元中的RAGE，研究發(fā)現(xiàn)敲降RAGE能挽救CHI3L1過表達(dá)和CPZ/Rap干預(yù)條件下的新生神經(jīng)元發(fā)育異常。CHI3L1蛋白刺激原代海馬神經(jīng)元可以明顯抑制β-catenin的表達(dá)，而利用表達(dá)shRNA的慢病毒敲除海馬神經(jīng)元中RAGE后，β-catenin的表達(dá)得到了明顯恢復(fù)。因此，調(diào)控CHI3L1/RAGE/β-catenin信號通路可以改善MS小鼠模型中新生神經(jīng)元的發(fā)育缺陷（圖4）。
▲圖4 CHI3L1抑制海馬新生神經(jīng)元發(fā)育的相關(guān)受體及下游信號通路
聯(lián)合應(yīng)用CRTH2和RAGE抑制劑可挽救脫髓鞘海馬的神經(jīng)發(fā)生缺陷和認(rèn)知功能障礙：研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)單獨(dú)給予CRTH2抑制劑（AZD1981）僅能有效改善脫髓鞘海馬中NSCs的增殖和分化缺陷，而不能改善脫髓鞘海馬中的新生神經(jīng)元發(fā)育。單獨(dú)使用RAGE抑制劑（FPS-ZM1）不能逆轉(zhuǎn)受損的NSCs增殖和分化，但可以恢復(fù)脫髓鞘海馬中的樹突和棘突發(fā)育。聯(lián)合應(yīng)用CRTH2和RAGE抑制劑不僅挽救了脫髓鞘誘導(dǎo)下的NSCs增殖和分化異常，而且促進(jìn)了脫髓鞘海馬中的樹突和棘突發(fā)育，明顯增強(qiáng)了脫髓鞘小鼠的認(rèn)知功能（圖5）。
▲圖5 阻斷RAGE或/和CRTH2受體對CPZ/Rap小鼠的海馬神經(jīng)發(fā)生、新生神經(jīng)元的發(fā)育和認(rèn)知功能的影響
抑制GSK-3β激活或激活β-catenin信號可挽救脫髓鞘海馬的神經(jīng)發(fā)生和認(rèn)知功能障礙：團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)應(yīng)用GSK3β抑制劑（TWS119）和β-catenin激活劑（BML-284）都能有效抵消脫髓鞘對海馬神經(jīng)發(fā)生和新生神經(jīng)元發(fā)育的抑制作用，并能挽救脫髓鞘海馬的認(rèn)知缺陷（圖6）。
▲圖6 調(diào)控GSK3β/β-catenin信號通路對CPZ/Rap小鼠海馬神經(jīng)發(fā)生、新生神經(jīng)元的發(fā)育和認(rèn)知功能的影響
▲圖7 模式圖
研究意義
該研究證明來源于星形膠質(zhì)細(xì)胞中的CHI3L1是MS患者和小鼠模型中成體神經(jīng)發(fā)生缺陷及認(rèn)知功能障礙的關(guān)鍵分子。星形細(xì)胞中CHI3L1的缺失可以減輕脫髓鞘小鼠的神經(jīng)發(fā)生缺陷和認(rèn)知功能障礙。機(jī)制研究上，CHI3L1通過與CRTH2/RAGE受體結(jié)合，抑制β-catenin信號傳導(dǎo)進(jìn)而阻礙神經(jīng)發(fā)生。該研究結(jié)果不僅深入闡明了MS相關(guān)認(rèn)知功能障礙的新機(jī)制，也為改善神經(jīng)系統(tǒng)自身免疫炎性疾病認(rèn)知功能障礙提出新的研究靶點(diǎn)。
研究團(tuán)隊(duì)
宋延娜博士、姜維博士后為共同第一作者，邱偉教授、湯常永副研究員為共同通訊作者。該研究得到了中國科學(xué)院遺傳研究所郭偉翔教授的指導(dǎo)。同時，該研究得到了中山大學(xué)附屬第三醫(yī)院實(shí)驗(yàn)醫(yī)學(xué)部韓曉燕主任、丘秀生老師，以及廣東省科學(xué)院生物與醫(yī)學(xué)工程研究所吳彩霞教授、彭培堅工程師的支持和幫助。
