LRRK2-G2019S突变通过代谢重编程驱动小胶质细胞炎症及多巴胺能神经元退变机制研究

《Journal of Neuroinflammation》：The Parkinson’s disease-associated LRRK2-G2019S variant restricts serine metabolism, leading to microglial inflammation and dopaminergic neuron degeneration

本研究针对帕金森病(PD)中LRRK2-G2019S突变如何通过代谢重编程引发小胶质细胞炎症并导致多巴胺能神经元退变这一关键问题，利用患者来源iPSC分化的微glia与中脑类器官共培养模型，发现突变微glia呈现糖酵解上调、丝氨酸合成受损的代谢异常，并通过TNF-α介导神经毒性。研究首次揭示靶向糖代谢的氧乙酸可逆转炎症表型并保护神经元，为PD免疫代谢治疗提供新靶点。

　　

当科学家们探索帕金森病（Parkinson's disease, PD）的发病机制时，神经炎症近年来逐渐成为连接多种病理过程的核心环节。作为大脑中的免疫哨兵，小胶质细胞（microglia）在PD病程中扮演着双重角色：既负责清除异常蛋白聚集物，又可能因过度激活释放炎症因子而加速神经元损伤。其中，LRRK2基因的G2019S突变是家族性和散发性PD中最常见的遗传因素之一，但该突变如何通过调节小胶质细胞功能进而导致多巴胺能神经元退变，其具体机制仍不明确。

现有研究提示，免疫细胞在激活过程中会发生显著的代谢重编程（metabolic reprogramming），即从高效的氧化磷酸化转向快速的糖酵解以支持其功能需求。然而，在PD背景下，小胶质细胞的代谢状态如何影响其炎症活性及神经毒性，尚缺乏深入解析。正是为了回答这一问题，Kurniawan等人利用诱导多能干细胞（induced pluripotent stem cell, iPSC）技术、中脑类器官（midbrain organoids）与微glia共培养等前沿模型，系统揭示了LRRK2-G2019S突变通过扰乱小胶质细胞代谢，进而驱动神经退行性变的全新机制。

为开展本研究，作者使用了4例健康人和4例LRRK2-G2019S突变携带者来源的iPSC系，通过胚胎体（embryoid body）阶段分化为巨噬细胞前体，再进一步诱导为成熟小胶质细胞。中脑类器官则由健康人iPSC分化的神经上皮干细胞（NESCs）经特定因子梯度诱导生成。关键实验技术包括：流式细胞术分析细胞表型和功能、Seahorse能量代谢分析、同位素标记代谢流追踪（U-¹³C₆-葡萄糖）、RNA测序及代谢模型构建、三维类器官与微glia共培养（assembloids）模型以及高内涵成像分析。

LRRK2-G2019S突变不改变小胶质细胞分化效率与基本身份

研究首先验证了iPSC分化为小胶质细胞的流程可靠性。突变与健康对照组的小胶质细胞在存活率、ATP水平、前体产量以及形态上均无差异。免疫荧光和流式细胞术证实，两组细胞均高表达IBA1、PU1、CD11b、CD45等泛巨噬细胞标志，以及P2RY12、CX3CR1、TMEM119等小胶质细胞特异性标志，表明LRRK2-G2019S突变并不影响小胶质细胞的基本分化和身份特征。

LRRK2-G2019S小胶质细胞呈现免疫激活增强和炎症表型

尽管细胞基本属性无异常，突变小胶质细胞却表现出显著的免疫亢进：吞噬活性标志CD68、抗原呈递相关分子HLA-DR、共刺激分子CD80/CD86均显著上调；TLR2/TLR4等病原识别受体表达升高；对酵母聚糖（Zymosan）的吞噬能力增强。尤为关键的是，在LPS刺激下，突变细胞特异性地高分泌TNF-α，而其他炎症因子水平与对照组无异，提示TNF-α可能是介导其神经毒性的关键因子。

转录组分析揭示炎症与代谢通路改变

RNA测序结果显示，突变小胶质细胞中有970余个基因差异表达。通路富集分析突出显示了TNF信号、IL-1信号、吞噬体形成等炎症相关通路异常活跃。同时，活性氧（ROS）代谢、mTORC1信号等代谢通路显著改变。结合代谢模型预测，突变细胞在糖代谢、氨基酸代谢、脂代谢等子系统均出现独特反应，提示其免疫异常与代谢重构密切相关。

LRRK2-G2019S小胶质细胞糖酵解上调且丝氨酸合成受损

功能实验证实，突变小胶质细胞的mTOR下游靶点pS6磷酸化水平升高，但线粒体呼吸功能无显著受损。Seahorse分析显示其基础糖酵解活性增强，葡萄糖摄取增加，且大量丙酮酸转化为乳酸。与此同时，丝氨酸合成通路关键酶PHGDH、PSAT1表达下降，同位素示踪显示葡萄糖来源的丝氨酸（M+3）合成显著减少，表明突变细胞存在糖酵解-丝氨酸代谢轴失调。

LRRK2-G2019S小胶质细胞诱导多巴胺能神经元退变

在三维中脑类器官与微glia共培养模型中，突变小胶质细胞的植入导致酪氨酸羟化酶（TH）阳性的多巴胺能神经元数量显著减少，而外源性TNF-α处理可模拟这一效应。相反，TNF-α中和抗体能逆转神经元损伤，证明突变小胶质细胞的神经毒性主要经由TNF-α介导。

靶向糖代谢可逆转炎症表型并保护神经元

使用糖酵解抑制剂氧乙酸（oxamic acid）处理后，突变小胶质细胞的葡萄糖摄取和pS6水平恢复正常，炎症标志CD86和TNF-α表达下降，但吞噬功能得以保留。更重要的是，共培养类器官中多巴胺能神经元数量显著恢复，表明通过调控代谢可有效解耦小胶质细胞的炎症毒性与保护性功能。

本研究首次在人类iPSC来源模型中系统阐明LRRK2-G2019S突变通过重构小胶质细胞代谢（糖酵解上调和丝氨酸合成受阻），进而促进TNF-α依赖性神经炎症与多巴胺能神经元退变的完整机制。研究不仅揭示了免疫代谢在PD发病中的关键作用，更通过氧乙酸的干预实验证明靶向小胶质细胞代谢可作为缓解神经退行性变的潜在策略。这一发现为理解遗传因素与神经免疫互作提供了新视角，也为开发以代谢为靶点的PD疾病修饰疗法奠定了实验基础。