神经炎症中的小胶质细胞在衰老过程中的代谢和性别差异

研究背景

衰老是神经退行性疾病如阿尔茨海默病（Alzheimer’s Disease, AD）和帕金森病的重要风险因素，即使是健康的衰老也伴随着认知功能的下降。此前的研究表明，小胶质细胞会在衰老过程中发生性别差异性变化，因此了解小胶质细胞在衰老过程中的功能变化及其在男女中的差异尤为重要。小胶质细胞作为大脑的常驻巨噬细胞，起着维持大脑稳态、清除碎屑和损伤修复等重要功能。在脑衰老过程中，它们可能出现功能异常，并被认为是神经退行性疾病发展的一个关键因素。

论文信息

本研究由Seokjo Kang等人完成，于2024年发表在Journal of Neuroinflammation杂志上，题为”Microglia undergo sex-dimorphic transcriptional and metabolic rewiring during aging”。研究由Cedars-Sinai Medical Center、Oklahoma Medical Research Foundation、University of Oklahoma Health Sciences Center和University of Southern California等机构联合完成。Helen S. Goodridge作为通讯作者。

研究目的

研究旨在探讨小胶质细胞在衰老过程中的转录组和代谢组变化，并分析这些变化在不同性别间的差异。通过揭示小胶质细胞在衰老和神经退行性疾病背景下的性别特异性应答机制，以期为新型临床干预手段的开发提供理论依据。

研究方法

本研究采用了多种实验方法和技术手段，以解析小胶质细胞在衰老过程中的转录和代谢变化。主要研究方法包括RNA测序、单细胞RNA测序分析、代谢组学分析、西方印迹、实时代谢率测定等。

动物模型

本研究使用的C57BL/6小鼠来自The Jackson Laboratory和National Institute on Aging (NIA)。选取3至24月龄的雌雄小鼠进行实验。所有实验程序均在Cedars-Sinai Medical Center的动物设施中进行，并获得机构动物护理和使用委员会的批准。

小胶质细胞的分离

通过使用Calcium-free和Magnesium-free的Hank’s Balanced Salt Solution (HBSS)灌注小鼠以避免外源性激活，并在脑组织解离过程中使用了抗生素和蛋白酶抑制剂。利用神经组织解离试剂盒将脑组织酶解后，通过免疫磁珠将CD11b+小胶质细胞分离出来，并进行进一步实验处理。

RNA测序与分析

提取小胶质细胞总RNA后，使用Smart-Seq v4超低输入RNA测序试剂盒进行逆转录和双链cDNA合成，再采用Nextera XT文库制备试剂盒进行文库制备。RNA样本在NovaSeq 6000系统上测序，通过STAR软件对序列读数进行比对，并使用DESeq2和Pathway分析工具进行差异表达基因及途径富集分析。

研究结果

转录组变化

通过RNA测序分析，我们发现衰老对小胶质细胞基因表达的影响在雌性小鼠中更为显著。主成分分析和多维标度分析显示出年轻和年老小胶质细胞之间的显著分离，尤其是在雌性中。进一步分析表明，在年龄作为协变量的情况下，与性别相关的基因有41个，而在性别作为协变量的情况下，与年龄相关的基因有4290个。

代谢路径变化

通过IPA分析，我们发现PI3K/AKT/mTOR信号通路在年老小胶质细胞中显著激活，尤其是在雌性小鼠中。mTOR信号通路的激活与糖酵解增加相关，西方印迹和Seahorse XF分析进一步验证了这些代谢路径的变化。结果表明，随着年龄的增长，小胶质细胞的糖酵解显著增加，这种代谢重编程在雌性小鼠中尤为明显。

感染与免疫应答

我们注意到，在雌性年老小鼠中，补体途径的活性显著增强。更具体地，C3和其受体C3aR在老年小鼠的小胶质细胞中表达显著增加，推测这一变化通过自分泌机制促进了mTOR/HIF-1α信号通路的激活，进一步增强了糖酵解及吞噬活性。

单细胞RNA测序分析

单细胞RNA测序数据表明，衰老相关的小胶质细胞（称为DAM，即疾病相关的小胶质细胞）在雌性中更为丰富。这类DAM具有更高的糖酵解活性，表明其在清除细胞碎屑和促进神经保护方面可能具有重要作用。

结论

本研究揭示了小胶质细胞在衰老过程中的转录和代谢重编程序及其性别差异，特别是补体系统和mTOR/HIF-1α信号通路在这一过程中发挥的重要作用。这些发现不仅拓展了我们对小胶质细胞在衰老和神经退行性疾病中的理解，还为未来开发新的治疗策略提供了潜在的方向。通过靶向小胶质细胞的自分泌C3a-C3aR信号通路，可能有助于减缓神经退行性病变，促进神经保护并维持脑功能。

研究意义

研究意义在于它揭示了小胶质细胞根据性别在衰老过程中的不同行为模式，并提出了一种新的代谢调控机制。这不仅在科学上具有重要意义，有助于深入理解神经退行性疾病的病理机制，同时也在临床上具有潜在的应用价值，未来可望通过精准医学策略针对性别差异制定个性化的干预手段。

以上研究结果突显了进一步探讨补体系统、代谢重编程和性别在神经退行性疾病中的潜在作用和相互关系的必要性，以期为开发有效的预防和治疗方法提供理论基础和实验支持。