高脂饮食对小胶质细胞的影响及其对大脑功能的影响

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肥胖 神经炎症 能量代谢 糖酵解 细胞外囊泡

饱和脂肪酸对脑功能的研究

背景介绍

肥胖和代谢综合征是当前全球健康的一大挑战。大量研究表明，过量食用富含饱和脂肪的饮食会导致肥胖，并伴随着一系列代谢并发症，如胰岛素抵抗和糖尿病。然而，肥胖不仅影响身体健康，还可能对大脑功能产生较大影响。已有动物模型研究表明，饮食诱导的肥胖（DIO）会引发海马区的代谢改变、突触功能障碍以及学习和记忆过程的损害[1-3]。令人惊讶的是，人类短期摄入高脂高糖饮食（仅四天）也足以显著损害海马依赖的学习和记忆。

肥胖通常伴随低度炎症状态，在大脑中，DIO触发的神经炎症尤为显著。这种炎症过程牵涉小胶质细胞（微胶质）的活化，即微胶质增生（microgliosis）。尽管文献中关于DIO诱发的神经炎症存在争议，部分研究报告显示某些脑区如海马和皮层未出现明显的细胞因子过表达[5-9]。因此，微胶质在DIO中的具体作用机制仍不确定。本文采用BV2细胞模型，研究暴露于棕榈酸（palmitate，富含于高脂饮食以及肥胖个体大脑中的饱和脂肪酸）后微胶质的反应特征。

研究来源

本文的研究由Gabriela C. de Paula、Blanca I. Aldana、Roberta Battistella、Rosalía Fernández-Calle、Andreas Bjure、Iben Lundgaard、Tomas Deierborg和João M. N. Duarte等科学家共同撰写，作者主要来自瑞典隆德大学医学实验科学系（Department of Experimental Medical Science）和沃伦堡分子医学中心（Wallenberg Centre for Molecular Medicine），以及丹麦哥本哈根大学健康与医学科学学院药物设计与药理学系（Department of Drug Design and Pharmacology）。该论文于2024年发表在《Journal of Neuroinflammation》期刊上。

研究流程

研究对象和实验方法

  1. 细胞培养和处理

    • BV2小胶质细胞（来自ATCC，Manassas，VA-USA，编号#CRL-2469）在含有5 mmol/L葡萄糖、1 mmol/L丙酮酸和4 mmol/L谷氨酰胺的Dulbecco改良Eagle介质（DMEM）中培养，另加10%胎牛血清（FBS），100U/ml青霉素/链霉素（P/S）培养。

  2. 细胞增殖和活力测试

    • 细胞增殖通过细胞计数确定，每隔6小时统计一次。
    • 运用CyQuant MTT细胞活力试剂盒和Caspase-Glo 3/7活性测定试剂盒进行细胞活力和凋亡测试。

  3. 氧气消耗率（OCR）和质子排放率（ECAR）

    • 使用Seahorse XF96分析仪测量细胞的OCR和ECAR，以评估细胞代谢活动。

  4. 定量实时聚合酶链反应（qPCR）

    • 细胞总RNA提取后，利用反转录试剂盒合成cDNA，进行qPCR分析（特定基因如TNF-α、IL-6和IL-1β等）。

  5. 蛋白质组分析

    • 收集处理后BV2细胞分泌的外泌体（extracellular vesicles，EVs），通过质谱（mass spectrometry，MS）检测其蛋白质组。

  6. 动物实验

    • 将由棕榈酸处理及对照处理的BV2细胞分泌的EVs注射到小鼠脑室内，观察其对小鼠行为、认知和葡萄糖耐受性的影响。

主要结果

  1. 棕榈酸诱导微胶质增殖但不增加细胞因子表达

    • 200µmol/L棕榈酸暴露24小时后，BV2细胞显示增殖速率增加，但未见显著细胞因子如TNF-α或IL-1β表达水平升高。

  2. 代谢途径的重组

    • 棕榈酸处理显著增加BV2细胞的糖酵解（glycolysis）活性，但降低了氧化磷酸化（oxidative phosphorylation）相关的线粒体呼吸容量，这表明能量代谢重组。

  3. EVs蛋白质组的变化

    • 质谱分析揭示，棕榈酸处理后的BV2细胞分泌的EVs携带特定蛋白质组特征，包括核糖体蛋白及蛋白质代谢相关蛋白含量减少。

  4. EVs对小鼠脑功能和行为的影响

    • 将EVs注射到小鼠脑室内，发现接受棕榈酸处理EVs的小鼠表现出记忆力下降（如新物体识别测试）和抑郁样行为（如蔗糖溅液测试），以及糖耐受能力降低。

结论和意义

本研究表明，暴露于棕榈酸的BV2细胞通过分泌特定的EVs，传递代谢重组信号，并可能导致脑功能障碍。尽管未见显著的细胞因子过表达，EVs携带的蛋白质组改变可能在神经炎症及脑功能受损中起关键作用。这一发现为理解肥胖背景下的脑功能障碍提供了新的视角，并提示EVs可能作为肥胖相关脑功能障碍干预的新靶点。

研究亮点

  • 代谢途径重组：揭示了棕榈酸处理下微胶质代谢转换机制。
  • EVs的介导作用：首次系统研究并验证了棕榈酸暴露后微胶质分泌的EVs在神经功能障碍中的作用。
  • 行为影响：通过小鼠实验实证了EVs对记忆和情绪行为的直接影响。

限制及展望

需要进一步使用初级微胶质细胞进行验证。同时，研究仅限于蛋白质统计，未来可关注EVs的其他组成部分如代谢物、脂类和核酸的影响。此外，探讨不同年龄阶段的响应差异，以及拟定更全方位的研究计划也是重要方向。