太赫兹光子经AC9/cAMP/NLRP3信号轴抑制神经炎症并改善创伤性脑损伤

《Research》：Terahertz Photons Ameliorate Traumatic Brain Injury and Reduce Neuroinflammation via the Cyclic Adenosine Monophosphate Signaling Pathway

　　

创伤性脑损伤（TBI）在常见神经系统疾病中发病率最高，并且仍是各类损伤中死亡和残疾的首位原因，但针对TBI的特异性疗法仍不可用。在本研究中，研究人员发现，在TBI急性期短期给予太赫兹（THz）光子可改善脑损伤和认知缺陷。THz光子诱导小胶质细胞数量减少以及小胶质细胞抗炎表型数量增加。体内和体外验证进一步显示，THz光子抑制炎症小体激活。在小胶质细胞中阻断腺苷酸环化酶9型（AC9）可减弱THz照射的有益效应，提示THz照射介导的炎症小体激活抑制涉及AC9/环磷酸腺苷（cAMP）/NLR和含吡啶结构域蛋白3（NLRP3）信号通路。与药物治疗相比，THz光子技术具有非侵入性、精准组织靶向以及可按需施加和移除的优势。总之，本研究建立了一种基于THz光子的治疗范式，突出其作为TBI以及潜在其他形式急性脑损伤治疗方法的潜力。

创伤性脑损伤（traumatic brain injury，TBI）是常见神经系统疾病中发病率最高者，也是各类损伤中死亡和残疾的首位原因，但TBI的特异性疗法仍不可用。TBI包括不可干预的原发性脑损伤和伤后数分钟内发生、涉及分子与细胞级联并导致进一步神经元丢失和功能损害继发性脑损伤；神经炎症在TBI病理进展中起关键作用，活化小胶质细胞可呈现促炎M1表型与抗炎M2表型，NLRP3炎症小体可促进促炎细胞因子成熟及gasdermin D（GSDMD）裂解，形成膜孔并放大炎症级联；持续神经炎症与神经退行性变形成恶性循环，目前缺乏有效策略。太赫兹（terahertz，THz；10¹² Hz）光子位于微波与红外之间，光子能量低、电离效应可忽略，可通过与生物分子共振相互作用产生非热调节效应，已显示可调节神经元活动、突触信号、神经元生长和树突棘形成，并可影响谷氨酸受体结合；但THz光子对以神经炎症为重要环节的TBI是否有效尚不清楚。该论文发表于《Research》。研究人员开发了基于34.5 THz的非侵入、无药物方法，在TBI小鼠中观察到THz光子改善认知功能、减轻神经病理并减少慢性神经炎症；机制上，THz光子抑制小胶质细胞中NLRP3炎症小体复合物激活，并以与腺苷酸环化酶9型（AC9）相关的方式促进环磷酸腺苷（cAMP）生成，从而抑制NLRP3炎症小体，阻断AC9可减弱其保护效应。与阻断AC9或NLRP3的药物相比，THz光子可直接照射局部脑组织，具有物理靶向、减少脱靶不良反应以及可按需施加或撤除、实现可逆性时间调控的技术优势，对急性脑损伤治疗具有意义。

关键技术方法概括（不超过250字）：研究使用野生型C57BL/6小鼠（8～10周，来源为SPF (Beijing) Biotechnology Co., Ltd）建立控制性皮层撞击（controlled cortical impact，CCI）模型，并以磁共振成像验证；采用量子级联激光器（quantum cascade laser，QCL）产生34.5 THz光子，功率密度4或7 mW/mm²，于伤后1、24、48 h各照射10 min。行为学采用Morris水迷宫（Morris water maze，MWM）、新物体位置（novel object location，NOL）和旷场；病理与分子分析采用Nissl、TUNEL、Golgi染色、免疫荧光（immunofluorescence，IF）、逆转录定量聚合酶链反应（reverse transcription quantitative polymerase chain reaction，RT-qPCR）、流式细胞术、RNA测序、蛋白质组学、Western blot和酶联免疫吸附测定（enzyme-linked immunosorbent assay，ELISA）；体外使用BV2小胶质细胞和HEK-293T细胞（购自Procell），以脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）+三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP）激活BV2，并用siAC9和AC9过表达验证；另进行温度检测和H&E染色。

研究结果：
（1）THz光子减轻TBI诱导的认知缺陷：通过CCI模型及伤后1、24、48 h照射，7 mW/mm²组在MWM中逃避潜伏期缩短、目标穿越次数及目标象限时间和距离增加，在NOL中位置识别指数提高，而4 mW/mm²组无统计学改善；旷场总距离、中心进入和时间无显著差异，提示7 mW/mm² THz光子改善空间学习记忆且不明显影响运动表现，故后续采用7 mW/mm²。
（2）THz光子改善TBI神经病理：21 dpi Nissl染色显示病灶体积显著减少；7 dpi TUNEL显示TUNEL阳性细胞减少；Golgi染色显示树突棘密度较TBI对照增加69.8%，Sholl分析显示神经元分支复杂度增加但仍低于Sham组；脑血流未受影响。结论为THz光子增强组织完整性和突触复杂性。
（3）THz光子减轻TBI后神经炎症：7 dpi IF显示Iba1⁺髓系细胞减少；RT-qPCR和IF显示CD206 mRNA及Arg1⁺细胞/Iba1⁺细胞升高，CD16 mRNA及CD16⁺细胞无显著差异；CXCL1下调，流式显示中性粒细胞比例下降但无统计学意义，其他浸润免疫细胞无显著差异。结论为THz光子主要调节小胶质细胞激活和极化，增强抗炎M2样表型。
（4）THz光子通过上调cAMP和下调NLR信号通路调节TBI后免疫：RNA测序和蛋白质组学比较TBI+THz与TBI组，RNA测序发现1096个上调基因和1173个下调基因；GO和KEGG分析显示cAMP信号通路为最富集上调通路，NLR信号通路为最富集下调通路；蛋白质组学KEGG分析亦强化NLR信号通路富集。结论为THz光子在转录和蛋白水平协同调节cAMP与NLR通路。
（5）THz光子通过提高cAMP水平抑制NLRP3炎症小体激活：7 dpi Western blot显示NLRP3和ASC分别下降25.3%和29.3%；ELISA显示pro-IL-1β、pro-IL-18、IL-1β、IL-18下降，GSDMD下降21%，cAMP升高约47.2%；3和14 dpi亦见cAMP升高及炎症小体相关分子下降。结论为THz光子抑制NLRP3信号通路及其下游炎症输出，并涉及cAMP/NLRP3通路。
（6）THz光子调节小胶质细胞AC9：LPS+ATP激活BV2后cAMP降低、NLRP3及GSDMD、IL-1β、IL-18升高，THz光子逆转这些变化；siAC9降低AC9后，THz升高cAMP和降低炎症小体相关蛋白的作用减弱；HEK-293T过表达AC9后THz光子显著增加cAMP，而未过表达时无明显增加。结论为THz光子通过AC9促进cAMP升高并进一步抑制炎症小体。
（7）THz光子生物安全性评价：照射10 min引起约2 °C温度升高；Sham+THz组H&E显示核固缩和核溶解减轻而非加重，GFAP⁺星形胶质细胞数量无显著差异，Iba1⁺小胶质细胞略减少。结论为所用THz光子具有良好生物安全性。

讨论部分总结：TBI不仅是急性疾病，也被视为慢性创伤性脑病，急性和慢性阶段神经炎症均驱动继发性脑损伤。本研究显示THz光子减轻神经炎症、促进抗炎M2样小胶质细胞活化，从而减轻继发损伤并改善认知，其效应涉及调节AC9、促进cAMP生成并抑制NLRP3炎症小体。讨论指出AC与NLRP3关系复杂，cAMP可作为NLRP3炎症小体的负调控因子；本研究显示siAC9减弱THz诱导的cAMP升高和炎症小体抑制，AC9过表达细胞中THz增加cAMP，但未提供THz与AC9在体内直接分子互作的证据。cAMP为关键第二信使，可调节多下游通路，THz可能还通过其他机制发挥神经保护。炎症小体信号在TBI模型中强烈激活，抑制NLRP3有助于防止慢性神经炎症；THz下调NLRP3、ASC及IL-1β、IL-18、GSDMD，但缺乏焦亡特异性证据，未来需验证焦亡、铁死亡和凋亡。THz主要调节小胶质细胞而非浸润免疫细胞；M1/M2二分法有限，未来应以流式或单细胞RNA测序研究疾病相关小胶质细胞（disease-associated microglia，DAM），包括C5aR1⁺ DAM样亚群。THz还可能影响神经元、星形胶质细胞及机械敏感离子通道Piezo1等，需未来研究；THz穿透深度有限，深部脑区递送、人体脑体积较大时的能量覆盖及体内剂量学仍是临床转化挑战，需发展高功率QCL和更有效传输递送方法。

研究结论翻译：总之，本研究确定THz光子是TBI的一种有前景的治疗方法。THz光子以与AC9相关的方式诱导cAMP水平升高，抑制NLRP3炎症小体激活并阻止炎症级联反应，从而促进TBI小鼠功能恢复。本研究提供了一种抑制NLRP3炎症小体的非药物、非侵入性疗法。该方法在TBI和其他形式急性脑损伤治疗中具有潜力。