肥胖诱导的氧化应激和cGMP耗竭抑制雌性小鼠小脑α2,3-Na+,K+-ATP酶活性

《Neuroscience》：Obesity-induced oxidative stress and cGMP depletion suppress cerebellar α2,3-Na+,K+-ATPase activity in female mice

　　• 高脂饮食（HFD）诱导全身性肥胖、高血糖、血脂异常以及血清 TNF-α 水平升高。• 肥胖抑制小脑 α2,3-NKA 活性并耗竭组织 cGMP 水平。• 慢性 HFD 触发小脑 H?O? 积累和 4-HNE 脂质过氧化。• 小脑 ERK1/2 磷酸化和 Nrf2 核转位上调。• 谷胱甘肽依赖性抗氧化酶被 HFD 补偿性激活。**引言**肥胖是一种以脂肪组织过度积累为特征的主要全球健康挑战，目前全球受影响人数超过 10 亿。流行病学调查显示，自 1990 年以来，其发病率翻了一番以上，在儿童和青少年中更是增加了四倍（Phelps et al., 2019），确立了其对于 2 型糖尿病、高血压和呼吸系统疾病等合并症因素的强烈易感性（Jin et al., 2023）。除了外周并发症外，大量的临床和实验证据表明，肥胖会驱动认知衰退（Farr et al., 2008, Ward et al., 2005），并诱导神经形态学的结构异常（Arnold et al., 2014, Haltia et al., 2007, Pannacciulli et al., 2006）。在机制上，循环炎症介质和细胞因子的显著上调建立了一种慢性、低度全身性炎症状态，这 actively 有助于中枢神经系统（CNS）稳态的破坏和神经炎症（Wang & He, 2018）。尽管血脑屏障（BBB）作为选择性守门人维持中枢微环境，但在代谢困扰下，例如高脂饮食（HFD）诱导的肥胖，其结构和功能通透性可能会受损（Elahy et al., 2015, Jais et al., 2016）。这种受损导致局部神经毒性损伤；例如，针对年轻成人的神经影像学研究将超重和肥胖与前额叶皮层和小脑灰质体积减少联系起来，这些大脑区域是执行控制的基础，同时伴随神经元特异性烯醇化酶血清水平升高，这是神经元损伤的标志物（García-García et al., 2019, Mueller et al., 2012）。值得注意的是，小脑对神经炎症级联和氧化损伤表现出增加的易感性，这种脆弱性在很大程度上是由其内源性低抗氧化酶防御能力驱动的（Chaudhary and Parvez, 2022, Garcia et al., 2018）。肥胖的神经后果也明显受生物性别调节。在代谢压力下，人类女性的肥胖患病率更高，且面临比男性更严重的认知后果（Guglielmi et al., 2024, Taylor et al., 2019）。鉴于神经退行性疾病（如阿尔茨海默病）中性别二态性的流行病学相关性，其中女性表现出更高的患病率、更快的进展以及对神经炎症的更高易感性，使用雌性队列对于理解代谢神经毒性和加速大脑老化至关重要。位于代谢状态和神经炎症交叉点的关键参与者是 Na?K?-ATP 酶（NKA），这是一种必不可少的寡聚跨膜蛋白，由化学计量量的催化 α 亚基和调节 β 亚基组成（Kinoshita et al., 2016）。α 亚基具有 10 个跨膜结构域，包含胞质内的 ATP、三个 Na? 和两个 K? 离子的结合位点，以及一个用于心脏强心苷的胞外口袋（Kinoshita et al., 2016, Kinoshita et al., 2022）。在其四种不同的同工酶（α1–α4）中，α1 广泛表达，而 α4 仅限于配子发生（Blanco et al., 1994, McDermott et al., 2015）。在中枢神经系统内，α3 同工酶主要定位在神经元中，而 α2 同工酶在胶质细胞、心脏、骨骼肌和脂肪细胞中高度富集（Azuma et al., 1991, Lytton, 1985, McGrail et al., 1991, Sweadner, 1989, Urayama et al., 1989）。组织特异性 β 亚基（β1–β3）确保催化 α 多肽的正确折叠和膜锚定（Blanco et al., 1994），它也可以与辅助性 FXYD 蛋白（以前的 γ 亚基）结合以调节阳离子亲和力（Geering, 2008, Kinoshita et al., 2016）。NKA 动力学的改变已被认为与代谢疾病的发病机制有关。在小鼠和人类中，肥胖与肝脏、肾脏和周围脂肪组织中 NKA 活性的抑制相关（Iannello et al., 2007）。此外，α2 同工酶杂合子小鼠自发发生由食欲素（orexin）下调和进食周期改变驱动的晚期肥胖（Kawakami et al., 2005）。相反，使用 NaKtide 对 NKA 信号进行药理学靶向，NaKtide 是 NKA 驱动的 Src 酪氨酸激酶级联的肽抑制剂，可减轻高热量模型中的肥胖和系统性氧化应激（Pratt et al., 2019）。有趣的是，HFD 诱导的 NKA 破坏伴随系统性 IL-6 和 TNF-α 水平的激增，以及神经退行性里程碑，包括神经元凋亡升高、过度磷酸化 Tau 蛋白积累和突触后致密蛋白 95（PSD-95）表达丧失（Pratt et al., 2019）。为了对抗代谢和氧化损伤，主转录因子核因子红细胞 2 相关因子 2（Nrf2）协调细胞氧化还原稳态（Nguyen et al., 2009），决定神经元对氧化应激的抵抗力，同时调节重叠的自噬、抗炎和脂质代谢途径（Bruns et al., 2015, Tebay et al., 2015, Vasconcelos et al., 2019）。Nrf2 依赖性抗氧化反应元件（ARE）基因的上调增强了中枢对兴奋毒性和促氧化挑战的韧性（Lim et al., 2008, Satoh et al., 2006, Tanito et al., 2007, Vasconcelos et al., 2019）。新出现的证据强调了 NKA 与此抗氧化轴之间的双向对话；例如，星形胶质细胞富集的 α2-NKA 同工酶（α2,3）半合子小鼠在内毒素脂多糖挑战后表现出改变的促炎谱和星形胶质细胞中 Nrf2 mRNA 转录的补偿性激活（Leite et al., 2020）。尽管存在这些联系，饮食诱导的肥胖对小脑结构和酶维持的具体影响仍知之甚少。因此，本研究评估了高脂饮食诱导的肥胖对雌性 BALB/c 小鼠小脑神经炎症、特定 NKA 同工酶活性和 Nrf2 抗氧化轴激活的影响。**章节摘要****动物和饮食方案**雌性 BALB/c 小鼠（20–25 克）在 12 小时光/暗周期下饲养，自由饮水。动物被随机分配接收常规饮食（CTR; Nuvilab CR-1）或高脂饮食（HFD; Pragsolu??es Biociências）10 周（图 S1）。每周监测体重和食物摄入量。所有程序均经 ICB/USP 动物使用伦理委员会批准（CEUA 1027/2019）。使用维持 10 周 HFD 方案的雌性 BALB/c 小鼠得到支持。**HFD 摄入促进系统性促炎谱**通过体重和脂肪含量的显著增加以及循环生物标志物（包括葡萄糖、总胆固醇、HDL、LDL、VLDL 和甘油三酯）的改变确认了肥胖表型（补充材料）。接下来，我们通过量化血清细胞因子水平来表征该模型诱导的系统性炎症状态。与对照组相比，肥胖小鼠血清肿瘤坏死因子-α（TNF-α）水平显著增加（p < 0.05）（图 1A）。**讨论**肥胖的特征是白色脂肪组织的病理性扩张，导致系统性代谢稳态的持续破坏。内脏脂肪通过促炎脂肪细胞因子的分泌升高驱动一种持续的低度慢性炎症状态（Alexopoulos et al., 2014, Ibrahim, 2010）。同时，这种外周代谢炎症促进神经炎症级联和中枢神经系统（CNS）结构异常，这与...**研究局限性**我们必须承认本研究的局限性。首先是仅评估雌性 BALB/c 小鼠，未包含雄性群体。生物性别通过性腺激素和双态性脂肪组织分布显著塑造代谢和神经炎症结果。卵巢激素，特别是 17β-雌二醇和孕酮，在中枢神经系统发挥保护性抗炎和抗氧化作用，并促进皮下而非内脏脂肪沉积...**结论**总之，本研究结果表明，慢性高脂饮食（HFD）消耗建立了一种强大的肥胖模型，其特征是体重、脂肪质量的显著增加以及系统性代谢谱的失调，包括高血糖和血清 TNF-α、TC、LDL、HDL、VLDL 及甘油三酯水平升高。在中枢神经系统中，这种高脂血症状态驱动小脑氧化应激和神经炎症，证据包括 H?O? 和 4-HNE 升高...**CRediT 作者贡献声明****Martina Raissa Ribeiro：** 撰写 – 审查与编辑，撰写 – 原稿，方法学。 **Geovanni de Morais Lima：** 撰写 – 审查与编辑，撰写 – 原稿，方法学，形式分析，概念构思。 **Amanda Siena：** 撰写 – 审查与编辑，撰写 – 原稿，方法学。 **Jacqueline Alves Leite：** 撰写 – 审查与编辑，撰写 – 原稿，方法学。 **Victoria Francelino Alves：** 撰写 – 审查与编辑，方法学。 **Vitoria Cristina Araujo：** 撰写 –**资金支持**本研究得到圣保罗研究基金会（FAPESP）通过授予 MRR、AS、VFA、MSH 和 VCA 的研究和项目拨款的支持（拨款号：2016/07427-8, 2021/06009-6, 2021/03021-5, 2024/05200-2, 2024/14502-2, 和 2023/01789-9）。国家科学和技术发展委员会（CNPq）通过授予 BSG、MMLPT、TM、LAB、HLS、JDJ、WTL 和 CS 的奖学金和项目拨款也提供了财政支持（拨款号：403646/2021-9）。此外，**作者贡献**作者贡献：构思和设计实验：GML、TM、HLS、WTL 和 CS。执行实验：MRR、GML、AS、JAL、ASS、VFA、BSG、MMLMT、VCA、LSL、BSG、JDJ。分析数据：GML、TM、HLS、WTL、JDJ 和 CS。撰写论文：MRR、GML、AS、TM、HLS、LAB、WTL 和 CS。所有作者都阅读了修订后的手稿。**利益冲突声明**作者声明他们没有已知的竞争经济利益或个人关系，这些关系可能会影响本文报告的工作。Martina Raissa Ribeiro|Geovanni de Morais Lima|Amanda Siena|Jacqueline Alves Leite|Victoria Francelino Alves|Vitoria Cristina Araujo|André Schmidt Suaiden|Bruno de Souza Gon?alves|Marina Marques Lopes de Morais Toledo|Larissa de Sá Lima|Leandro Augusto Barbosa|Herica de Lima Santos|José Donato Júnior|Tania Marcourakis|Wothan Tavares de Lima|Cristoforo Scavone