经颅光生物调节通过调节线粒体和神经炎症通路减轻模拟微重力小鼠模型中的类焦虑和抑郁样行为

《Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology》：Transcranial photobiomodulation mitigates anxiety and depression-like behavior by modulation of mitochondrial and neuroinflammatory pathways in a mouse model of simulated microgravity

　　

摘要 心理健康是宇航员面临的主要关注问题，因为长期暴露于微重力和航天任务的压力会导致焦虑和抑郁的高风险。现有的药物治疗方案对于航天任务而言尚不充分，强调了开发安全、无创干预手段的必要性。本研究探讨了经颅光生物调节（tPBM）利用近红外（NIR）光疗法在经历模拟微重力的小鼠中对情绪调节及其神经生物学机制的治疗效果。雄性小鼠被分为三组：对照组、后肢悬吊（HU）组接受28天悬吊处理、以及HU + tPBM组接受每日810 nm的tPBM治疗。采用强迫游泳实验和悬挂尾部实验评估抑郁样行为，采用高架十字迷宫和旷场实验测量焦虑样行为。对前额叶皮层样本进行生化分析，评估线粒体生物能量学（细胞色素c氧化酶亚基5A [Cox5A]、NADH脱氢酶活性、线粒体膜电位和ATP）、氧化应激标志物（NADPH氧化酶2 [NOX2]、活性氧 [ROS]和抗氧化活性），以及神经炎症介质（ Toll样受体4 [TLR4]、磷酸化丝裂原活化蛋白激酶 [p-MAPK]、磷酸化核因子κB [p-NF-κB]、白细胞介素-1β和干扰素-γ）。HU诱导了类似焦虑和抑郁的行为，伴随皮质酮水平升高、线粒体功能受损、NOX2和ROS水平增加，以及TLR4/MAPK/NF-κB信号通路的激活。值得注意的是，tPBM逆转了这些变化，恢复了线粒体生物能量学，减轻了氧化应激，抑制了神经炎症，从而带来了显著的行为改善。这些发现表明，tPBM可能代表一种有前景的、无创的方法，用于缓解长期太空飞行期间的心理健康问题。

引言 随着人类太空飞行向更长期的任务延伸，人们对长期太空暴露对人体生理学影响的担忧日益增加。微重力是与地球重力显著不同的环境，会在多个器官系统中引发广泛的生理和结构变化，包括中枢神经系统（CNS）[1]、[2]、[3]、[4]。长期暴露于微重力与脑功能和行为的改变有关，包括共济失调、姿势不稳定、知觉错觉、疲劳和认知功能下降等 [5]、[6]。然而，由于存在重大的技术和后勤挑战以及高昂的成本，在太空飞行期间直接研究宇航员大脑受到限制。因此，研究人员开发了基于地面的实验室模型来重现微重力的关键生理后果。在啮齿动物模型中，后肢悬吊（HU）范式被广泛用于模拟微重力，并能诱导生理适应反应，重现航天任务诱导的卸载的若干特征 [7]、[8]、[9]、[10]。尽管HU无法复制太空飞行的全部生理和心理复杂性，但它仍然是考察特定微重力相关适应及其潜在机制的公认的地面模型。

除感觉运动和功能改变外，长期暴露于太空飞行环境可能对情绪和心理幸福感产生不利影响。来自太空飞行和地面研究的证据表明，暴露于微重力以及任务相关的其他应激因素可能导致与焦虑和抑郁相关的障碍 [11]、[12]。此外，宇航员可能在长期任务期间经历显著的心理挑战，这是由于太空飞行应激因素如隔离、封闭和昼夜节律紊乱所致，这些因素可能会加剧情绪不适和认知障碍 [13]。

在神经水平上，这些行为变化与神经可塑性受损 [13]、去甲肾上腺素、多巴胺和谷氨酸等神经递质系统的改变 [14]，以及下丘脑-垂体-肾上腺（HPA）轴功能失调 [15]、[16]有关。除这些神经信号传导的改变外，越来越多的证据强调了线粒体功能障碍和氧化应激在模拟微重力的神经生物学后果中的作用。长期暴露于模拟微重力与神经元线粒体的形态学变化、细胞能量代谢紊乱以及活性氧（ROS）产生增加有关 [17]、[18]、[19]。在中枢神经系统中，NADPH氧化酶2（NOX2）是ROS的主要酶学来源，NOX2活性的增加可能导致氧化应激和线粒体功能障碍。NOX2表达增加已在微重力和HU的实验模型中 [20]，以及在焦虑和抑郁相关行为的前临床模型中 [21]、[22]得到报道。NOX2来源的ROS、线粒体功能障碍和神经行为障碍之间的相互作用表明，NOX2信号传导的改变可能是焦虑和抑郁样行为与模拟微重力之间的一个分子联系。

神经炎症可能与这些代谢和氧化紊乱进一步相互作用。长期微重力暴露与血脑屏障（BBB）完整性改变、促炎细胞因子水平增加以及小胶质细胞激活有关 [23]、[24]。这些炎症反应可能涉及 Toll样受体4（TLR4）/丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）/核因子κB（NF-κB）信号轴通路，该信号轴是中枢神经系统中固有免疫和促炎反应的核心调节因子 [25]。TLR4激活启动下游的NF-κB和MAPK信号传导，促进促炎细胞因子和其他炎症介质的表达 [26]。过量的ROS产生和线粒体异常可能进一步放大该信号传导，表明氧化应激与神经炎症之间存在相互关系，这可能加剧神经元应激并破坏神经稳态 [25]、[27]。这种相互联系的功能障碍已被证实与实验模型中的焦虑和抑郁样行为有关 [28]。因此，TLR4/MAPK/NF-κB信号传导失调可能有助于与模拟微重力相关的神经炎症反应，并可能与焦虑和抑郁样行为有关。总之，NOX2和TLR4/MAPK/NF-κB信号传导代表了HU中观察到的氧化和炎症紊乱的互补分子组分。共同研究这些通路可能提供有关tPBM是否调节这些相互关联过程的见解。

尽管目前已有抗抑郁药和抗焦虑药可用于管理焦虑和情绪相关障碍，但它们在长期太空飞行中的使用受到不良反应、药物相互作用、不确定的药代动力学和药效动力学反应以及后勤挑战的限制 [29]。这些局限性凸显了探索无创方法以在延长太空任务期间维持神经功能的必要性。经颅光生物调节（tPBM）是一种新颖的、无创的技术，利用近红外（NIR）光穿透颅骨并靶向脑组织。该方法已在一系列神经系统疾病中显示出治疗潜力，包括创伤性脑损伤 [30]、帕金森病 [31]、阿尔茨海默病 [32]、以及抑郁症和焦虑症等精神疾病 [33]、[34]，以及年龄相关的认知衰退 [35]、[36]。多项研究表明，tPBM可增强线粒体功能和ATP产生，减少氧化应激和神经炎症，并促进神经元存活、突触功能和神经可塑性 [37]、[38]、[39]、[40]。此外，tPBM可以调节神经递质信号传导 [41]、[42]，考虑到模拟微重力与神经可塑性和神经递质系统的变化有关，这些变化可能导致神经行为功能障碍 [13]、[14]、[15]、[16]，这一点尤为重要。由于模拟微重力与线粒体功能障碍、ROS产生增加、神经炎症和脑稳态破坏有关 [17]、[18]、[19]、[21]、[23]、[24]、[28]，tPBM可能提供一种生物学上可行的方法来解决这些相互关联的细胞和分子紊乱。

我们此前已证明，tPBM可减轻后肢悬吊范式诱导的模拟微重力小鼠的学习和记忆缺陷 [37]。然而，目前尚不清楚tPBM是否也能减轻模拟微重力引起的感情障碍并调节其潜在分子机制。为此，本研究调查了tPBM对HU暴露小鼠焦虑和抑郁样行为的影响，特别关注线粒体功能、NOX2相关氧化应激、TLR4/MAPK/NF-κB炎症信号传导和HPA轴活性。我们假设tPBM会减弱HU诱导的焦虑和抑郁样行为，并且这些效应与线粒体功能改善、氧化应激和神经炎症信号传导减轻以及HPA轴活性减弱有关。

动物与实验设计 本研究使用24只雄性C57BL/6小鼠，年龄8周，体重25–28 g。所有实验程序均获得Tabriz医科大学伦理委员会的批准（IR.TBZMED.AEC.1402.094），并遵循国家卫生研究院（NIH）的指南进行。本研究按照ARRIVE 2.0指南进行和报告。

动物饲养在常规环境中，12小时光暗周期，温度为tPBM通过高架十字迷宫和旷场实验评估，减弱了HU处理小鼠的焦虑相关行为

高架十字迷宫结果的单因素方差分析显示，开放臂停留时间百分比（OAT）（F (2, 21) = 71.39, p < 0.001）和开放臂进入次数（OAE）（F (2, 21) = 24.57, p < 0.001）之间存在显著的组间差异。代表性的高架十字迷宫热图展示了迷宫内的组别特异性活动模式（图2A）。与对照组相比，HU组的OAE（图2B, p < 0.001）和OAT（图2C, p < 0.001）均显著降低。与HU组相比，HU + tPBM组的OAE（图2B, p = 0.004）和OAT（图2C, p = 0.002）显著更高。

讨论 本研究证明，HU诱导的模拟微重力会导致显著的行为和神经生物学变化，包括焦虑和抑郁样行为、HPA轴过度活跃、线粒体功能受损、氧化应激增加以及前额叶皮层神经炎症升高。我们的结果表明，线粒体生物能量学、NOX2相关氧化应激和TLR4/MAPK/NF-κB信号传导在模拟微重力的神经生物学反应中密切相关。

结论 本研究显示，HU诱导的模拟微重力导致前额叶皮层的焦虑和抑郁样行为、HPA轴过度活跃、线粒体生物能量学受损、氧化应激和神经炎症。tPBM减少了这些行为变化，改善了线粒体功能，降低了NOX2相关氧化应激，并降低了TLR4/MAPK/NF-κB信号传导。这些发现表明，tPBM可能有助于减轻与模拟微重力相关的神经行为障碍。进一步的研究CRediT作者贡献声明 Sareh Kazmi：调查、数据整理、原稿撰写。Reza Mosaddeghi-Heris：方法学、调查、稿件审阅与编辑。Hesam Shahabifard：调查、数据整理。Hanie Karimi：资源、调查、形式分析。Ali Shariati：可视化、数据整理。Kimia Motlagh Asghari：验证、调查。Saeed Sadigh-Eteghad：验证、监督、方法学。Michael R. Hamblin：方法学、稿件审阅与编辑。Javad Mahmoudi：方法学，

利益冲突声明 作者声明以下可能与潜在利益冲突有关的财务利益/个人关系：本研究中使用的激光设备由InsightsPrism [Manshoorkherad]公司（伊朗，德黑兰）在科学合作协议下提供给作者所在机构。该公司未参与研究设计、数据收集、数据分析、数据解释、稿件准备或决定提交稿件发表。作者

致谢 本研究得到了Tabriz医科大学（伊朗，大不里士）的资助（编号：72687）的支持。

Sareh Kazmi | Reza Mosaddeghi-Heris | Hesam Shahabifard | Hanie Karimi | Ali Shariati | Kimia Motlagh Asghari | Saeed Sadigh-Eteghad | Michael R. Hamblin | Javad Mahmoudi | Fereshteh Farajdokht 神经科学研究中心，Tabriz医科大学，大不里士，伊朗