帕金森氏病模型从肠道到脑模型的病理变化-突触核蛋白的跨神经元传播

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帕金森病（PD）是一种因中脑黑质区产多巴胺（DA）的神经元退行性变性而导致的运动失调疾病，是最常见的神经疾病之一。通过显微镜观察PD病人黑质中濒死的神经元，可以发现一种名为路易小体（LB）的嗜酸性圆形包涵体，由α-突触核蛋白(α-syn)组成。Braak等人的研究表明，认知回路中的神经元连接性的丧失，或细胞死亡或功能性连接性缺失可能与PD和其他突触核蛋白相关疾病密切相关。Braak假说认为，α-syn可以通过迷走神经从胃肠道传播至中脑腹侧，破坏黑质致密部(SNc)的多巴胺神经元。在PD早期阶段，以α-syn原纤维形式为主要成分的LBs存在于嗅球或延髓中的中间关节突(IZ)和迷走神经背运动核(DMV)；只有在疾病发展到后期，才可以在中脑观察到LBs，进而影响SNc和其他脑区。

LBs中的大部分α-syn在丝氨酸129上被磷酸化(pSer129-α-syn)，重组合成的α-syn可以在体内形成原纤维样结构(PFF)，体外神经元培养后注射到小鼠大脑时能形成pSer129-α-syn阳性LB样内含物，PFF注射到小鼠的纹状体(STR)中可致pSer129-α-syn积聚及SNc DA神经元的细胞死亡，这与病理性α-syn的传播一致。鉴于此，作者团队通过将PFF注射到幽门（PS）和十二指肠（UD）的肌层，模拟在PD中观察到的病理性α-syn的扩散，监测pSer129-α-syn免疫反应性评估病理性α-syn。

病理性α-syn从肠道向脑部扩散

有研究证据表明，病理性α-syn可能从肠神经系统(ENS)扩散，并通过迷走神经传播到中枢神经系统。为了在实验上验证这一假设，将PFF注射到小鼠迷走神经密集的幽门及十二指肠的肌肉层中。对幽门和十二指肠的肌间神经丛进行免疫荧光染色，显示肌间神经元中存在pSer129-α-syn，表明PFF正在将内源性α-syn有序排列(图1B和1C)。PFF注射1个月后，在延髓的DMV和脑桥的LC中观察到pSer129-α-syn(图1D-1F)。3个月后，pSer129-α-syn继续在大脑桥的DMV和LC中积累(图1D-1F和s 1D)，并开始在腹侧中脑的SNc中积累(图1D-1F)，在下丘脑和前额叶皮质(PFC)中观察到少量pSer129-α-syn免疫染色积累(图1D-1F、s 1D、S2G和S2J)。PFF注射7个月后，在所有提及的脑区及嗅球（OB）、海马（HIP）等脑区(图1D-1F)中观察到大量的pSer129-α-syn(图1D-1F)。10个月后，pSer129α-syn在HIP、PFC、OB和STR等脑区中的含量持续增加(图1D-1F)。

PFF注射入胃肠道后引起多巴胺神经元丢失

在PFF注射到PS和UD 1个月和3个月后，TH-和Nissl-阳性细胞的数量没有显著减少(图2A–2C)。7个月后，TH和Nissl阳性细胞计数减少，即SNc中DA神经元明显缺失。10个月后，多巴胺神经元进一步减少(图2A–2C)。高效液相色谱表明，纹状体多巴胺在3个月后显著减少，7个月后进一步减少(图2F)。通过单光子发射计算机断层扫描(SPECT)/计算机断层扫描(CT)成像的ioflupane证实了PFF注射到PS和UD引起的纹状体DAT减少(图2G和2H)。

病理性α-syn的传播需迷走神经和内源性α-syn

对野生型(WT)小鼠或α-syn基因敲除（Snca-/-）小鼠注射PFF，随后进行迷走神经切断术（TV）。PFF注射后7个月，WT-TV小鼠的UD中pSer129-α-syn含量显著增加，而Snca-/-小鼠中并未发现。注射7个月后，WT小鼠的SNc中检测到pSer129-α-syn，而TV和Snca-/-小鼠未发生改变(图3A)。注射PFF会导致多巴胺神经元的显著损失，而TV和敲除α-syn基因完全可以避免这种情况的发生(图3B-3D)。高效液相色谱分析表明，在PFF注射的WT小鼠的STR中DA缺失(图3E)，但TV和Snca-/-小鼠没有发生改变。行为学实验表明，注射PFF的WT小鼠的转棒实验下落潜伏期显著减少(图3F)，爬杆实验的下落时间显著增加(图3G)，小鼠的前肢力量明显下降(图3H)，而TV和Snca-/-小鼠没有发生变化(图3F–3H)。

病理性α-syn从肠道传播至大脑导致认知缺陷

PD不仅会导致运动缺陷，其特征还包括涉及认知的非运动症状和行为缺陷。在对小鼠注射PFF或PBS后，通过Morris水迷宫实验评估其空间学习和记忆能力(图4A)。在Morris水迷宫进行的第3天和第4天，与注射PBS的WT小鼠相比，注射PFF的WT小鼠具有逃逸潜伏期显著增加(图4A)；注射PFF的TV和Snca-/-小鼠的逃避潜伏期未发生明显变化(图4A)。

在水迷宫实验的第5天，移除逃避平台后，相较于注射PFF的WT小鼠，注射PFF的TV和Snca-/-小鼠在目标象限的游泳时间和路径显著增加，与注射PBS的WT小鼠无显著性差异(图4B和4C)。物体识别实验表明，注射PFF的WT小鼠对新奇物体的探索时间和识别指数显著降低，注射PFF的TV和Snca-/-小鼠没有发生变化(图4D和4E)。

被动回避实验表明，注射PFF的Snca-/-小鼠比注射PBS的Snca-/-小鼠潜伏期更低，与注射PBS的小鼠没有差异(图4F)。Y迷宫实验发现，注射PFF的WT小鼠的轮转百分比明显低于注射PBS的WT小鼠，注射PFF的TV和Snca-/-小鼠没有明显差异(图4G和4H)。

病理性α-syn从肠道传播至大脑导致心理行为缺陷

对小鼠进行筑巢实验，以评估精细运动灵活性、认知和情绪状态。与注射PBS的WT小鼠相比，注射PFF的WT小鼠筑巢分数显著降低，注射PFF的TV和Snca-/-小鼠的表现与注射PBS的WT小鼠相似(图5A-5C)。

通过高架十字迷宫和旷场实验检测焦虑程度。在高架十字迷宫实验中，与注射PBS的WT小鼠相比，注射PFF的WT小鼠的开放臂进入次数百分比和停留时间显著减少；注射PFF的TV和Snca-/-小鼠与注射PBS的WT小鼠无明显差异(图5D-5F)。在旷场实验中，与注射多溴联苯醚的小鼠相比，注射PFF的小鼠在中心区停留时间、进入次数百分比显著降低；注射PFF的TV和Snca-/-小鼠与注射PBS的WT小鼠无明显差异(图5G–5I)。

使用悬尾和强迫游泳试验评估抑郁样行为，与注射PBS的WT小鼠相比，注射PFF的WT小鼠的悬尾和强迫游泳试验中潜伏期明显增加；注射PFF的TV和Snca-/-小鼠与注射PBS的WT小鼠无明显差异(图5J和5K)。在PFF或PBS注射后9个月，使用埋藏食物的方式对小鼠的嗅觉功能进行评估，与注射PFF的WT小鼠相比，在禁食3至4天后，这是PBS的WT小鼠可以更快地找到埋藏的小球；注射PFF的TV和Snca-/-小鼠与注射PBS的WT小鼠无明显差异(图6A–6C)。

讨论

本项研究的主要发现为病理性α-syn能够从胃肠道通过迷走神经进入大脑，，病理性α-syn与帕金森病密切相关。帕金森病中的病理性α-syn不仅存在于大脑，还可在外周神经系统(PNS)中观察到，包括ENS。在α-syn转基因小鼠的中枢神经系统发生任何致病变化之前，已在ENS中检测到α-syn聚集体，这与肠道通透性的增加和细菌及其产物进而产生的氧化应激相关。有研究表明，胃肠道微生物产生的短链脂肪酸和细胞外纤维可能影响α-syn聚集和运动功能障碍，最终导致SNc中的神经变性。

综上所述，这些研究提供了一种符合Braak假说的在ENS中启动α-syn病理的潜在机制，即LB病理学是从肠道到大脑以固定模式传播，导致特发性PD病的临床特征，包括运动和非运动症状，暗示了特发性PD病因中的肠-脑轴，加快与PD和相关α-突触核蛋白病中病理性α-突触从肠向脑向心转运相关的特定细胞和分子途径方面的研究，将有助于研究潜在的治疗干预措施，以降低PD发展的风险。

原文链接：https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6706297/

（山东中医药大学中医药与脑科学研究创新团队 史经昊 供稿）

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