乙酰-11-酮-β-乳香酸对缺氧诱导认知功能障碍的保护作用：SLC2A1、PTGS1和BCL2L1的潜在参与

《Frontiers in Pharmacology》：Protective effects of AKBA against hypoxia-induced cognitive dysfunction: potential involvement of SLC2A1, PTGS1, and BCL2L1

　　

缺氧诱导认知功能障碍（HICI）与神经炎症、氧化应激及肠道菌群失调相关，凸显了有效神经保护干预的必要性。乙酰-11-酮-β-乳香酸（AKBA）是一种源自乳香的生物活性三萜类化合物，具有抗炎和抗氧化特性，但其对缺氧相关认知功能障碍的保护作用尚不完全清楚。本研究考察了AKBA与缺氧暴露同步给药时的神经保护潜力，并探索了其相关的分子改变。研究整合了网络药理学、转录组分析、分子相似性评估、分子对接和分子动力学模拟来识别和优先排序候选蛋白。随后在暴露于常压缺氧（12.7% O₂）10天的小鼠中评估了AKBA的保护作用。AKBA给药减轻了缺氧相关认知缺陷，伴随炎症和氧化应激标志物降低、BDNF水平升高、TUNEL阳性染色减少以及MBP免疫反应性保留。这些效应与皮层SLC2A1、PTGS1和BCL2L1表达的改变以及NF-κB和Keap1/Nrf2相关蛋白水平的变化相关。AKBA给药还与肠道微生物组成的变化相关，探索性相关性分析提示选定细菌分类群与皮层蛋白表达之间存在关联。综上所述，这些发现表明同步AKBA给药对缺氧相关认知功能障碍具有保护作用，可能涉及炎症、抗氧化和神经营养反应的协调变化。然而，候选蛋白和肠道菌群改变的因果作用仍需通过进一步的功能研究来确定。

缺氧诱导认知功能障碍（HICI）是记忆、语言和执行功能缺陷的临床综合征，严重影响日常生活。全球60岁及以上人群中轻度认知障碍患病率约为6%–25%，若纳入痴呆则总体负担超过30%。缺氧是一个重要但常被忽视的致病因素。长期高海拔暴露所致的慢性缺氧可通过线粒体功能障碍、氧化应激、神经炎症以及Aβ/tau病理加重等途径加速认知衰退。然而，目前尚无获批药物特异性靶向HICI，现有治疗主要针对基础疾病和支持性护理，抗氧化或神经保护剂仍处于探索阶段。依达拉奉作为代表性自由基清除剂，在模拟5000米缺氧小鼠模型中可减轻氧化应激并改善学习记忆，但其临床潜力受限于过敏反应、肝肾功能障碍等不良反应。因此，HICI仍是一个重大治疗缺口，亟需更安全有效的干预措施。HICI的发病机制涉及氧化应激、炎症和肠道菌群失调的三角环路。缺氧诱导的线粒体功能障碍导致活性氧（ROS）过度产生，损伤脂质、蛋白质和DNA，并促进异常NOS激活，导致NO和过氧亚硝酸盐过量形成。虽然ROS通常可触发Keap1与Nrf2解离并诱导HO-1和NQO1等抗氧化酶，但缺氧条件下Nrf2信号显著受抑，导致抗氧化防御不足。缺氧和氧化应激还降低BDNF表达，损害突触可塑性和神经保护。同时，ROS和缺氧相关内毒素（LPS）协同激活NF-κB通路，增加TNF-α和IL-1β表达，驱动小胶质细胞M1极化和星形胶质细胞A1转化，放大神经炎症。此外，缺氧破坏肠道屏障完整性和微生物稳态，减少短链脂肪酸产生，进一步削弱抗氧化和抗炎防御。乳香作为乳香属植物的树脂，长期用于传统医学的抗炎和促进循环。现代研究将其活性主要归因于乳香酸类，尤其是AKBA——一种关键三萜类化合物，可抑制5-LOX和NF-κB等炎症通路，同时激活Nrf2/HO-1抗氧化轴。富含AKBA的标准化提取物已作为食品级抗氧化剂或外用抗炎产品上市，但其在HICI中的作用尚未系统研究。基于此，研究人员整合了生物信息学分析（包括分子相似性、对接和分子动力学模拟）与HICI小鼠模型（12.7% O₂，10天）的体内验证，旨在探究AKBA与缺氧暴露同步给药的潜在保护作用，聚焦其与候选分子靶点、氧化应激、神经炎症和认知表现的关联，并识别值得进一步实验研究的候选分子机制。

研究人员开展研究用到的主要关键技术方法包括：网络药理学分析（整合SwissTargetPrediction、SEA、SuperPred和PharmMapper四个平台筛选AKBA靶点，并从GeneCards和CTD获取疾病相关基因）；GEO转录组数据挖掘（GSE103940数据集，含11名健康志愿者海平面和高海拔5300米配对血样，进行PCA降维、limma差异分析和CIBERSORT/ssGSEA免疫浸润分析）；分子相似性评估（LS-align平台）、分子对接（AutoDock Vina）和100 ns分子动力学模拟（GROMACS，AMBER14 N力场）；体内实验采用雄性C57BL/6小鼠（8周龄，北京HFK生物科学公司），随机分为对照组、模型组、吡拉西坦组（0.74 g/kg/d）和AKBA低、中、高剂量组（12.5、25、50 mg/kg/d），常压缺氧舱（12.7% O₂）暴露10天并同步灌胃给药，进行体重监测、Y迷宫、旷场实验、新物体识别等行为学测试，以及H&E染色、Nissl染色、TUNEL凋亡检测、免疫荧光（GFAP、IBA-1、MBP）、ELISA和Western blotting分析；16S rRNA基因测序分析肠道菌群组成。

研究结果如下：（1）网络药理学分析结果：鉴定AKBA putative靶点291个、缺氧相关靶点2664个、认知障碍相关靶点5592个，三者交集106个共享靶点；PPI映射揭示215个高置信度相互作用；DO富集显示显著涉及认知障碍和阿尔茨海默病等脑病理；GO分析显示 preferential定位至质膜和整合素复合物，参与细胞对缺氧和氧水平降低的生物学过程；KEGG通路涉及PI3K-Akt、HIF-1等级联；构建了包含128个节点和598条边的"药物-靶点（PPI）-通路-疾病"网络。（2）GEO数据挖掘分析结果：PCA显示对照组与缺氧暴露组明显分离；差异表达分析鉴定732个DEGs（108个下调、624个上调）；与网络药理学靶点交集鉴定8个重叠基因（SLC2A1、KCNH2、CTSB、CA2、PTGS1、LGALS3、ITGB3、BCL2L1），均在缺氧条件下上调；免疫浸润分析显示缺氧显著降低初始CD4 T细胞比例、扩大静息NK细胞池，ssGSEA进一步显示缺氧抑制活化B细胞、活化CD4⁺ T细胞、活化CD8⁺ T细胞等，而Th17亚群选择性增加；SLC2A1、PTGS1和BCL2L1与改变的免疫细胞亚群呈现显著相关性，被优先用于后续分子对接和动力学模拟。（3）分子相似性、对接和动力学模拟结果：AKBA与左卡尼汀的结构相似性评分为0.6459，呈中等化学骨架相似性；分子对接显示AKBA与BCL2L1结合能为?8.2 kcal/mol（ARG-132和TYR-173两个氢键）、与PTGS1为?8.7 kcal/mol（ARG-79一个氢键）、与SLC2A1为?9.2 kcal/mol（ARG-212一个氢键）；100 ns分子动力学模拟显示三种AKBA-靶点复合物均保持稳健构象稳定性（低RMSD和受限RMSF）。（4）体内验证分析结果：体重分析显示缺氧暴露组体重低于对照组，AKBA减轻缺氧相关体重下降；Y迷宫显示模型组自发交替率显著降低（49.32±1.54 vs. 66.82±2.20），所有药物干预显著改善；旷场实验显示模型组总移动距离、平均速度降低、不动时间延长、中央区停留时间减少，AKBA有效缓解缺氧诱导的焦虑样行为和运动抑制；新物体识别显示模型组认知指数显著降低（41.44±1.99 vs. 75.72±4.60），所有干预显著减轻该缺陷；器官系数显示模型组脑指数和脾指数升高、胸腺指数降低，AKBA不同程度减轻；H&E和Nissl染色显示模型组神经元排列紊乱、核固缩、Nissl体缺失，药物干预组明显减轻；TUNEL显示模型组TUNEL阳性面积显著增加（6.91%±0.58% vs. 0.06%±0.01%），AKBA-H和吡拉西坦组减少最显著；免疫荧光显示模型组GFAP和IBA1阳性面积显著增加、MBP阳性面积显著减少，AKBA给药减轻胶质反应性并部分保留髓鞘相关蛋白表达；炎症标志物显示模型组TNF-α、IL-1β、IL-6升高、IL-10降低，AKBA治疗组呈恢复趋势；氧化应激指标显示模型组SOD、CAT、GPx活性降低、MDA含量升高，所有治疗组显著改善；靶点和通路验证显示模型组BDNF降低、NOS和NF-κB升高，AKBA给药呈剂量依赖性增加BDNF、降低NOS和NF-κB；Keap1在模型组升高、Nrf2、NQO1、HO-1降低，AKBA治疗组呈相反变化；Western blotting显示模型组PTGS1和SLC2A1表达显著升高、BCL2L1表达显著降低，AKBA治疗组呈剂量依赖性逆转。（5）肠道菌群分析结果：三组分别鉴定657、633和651个ASVs，595个共享；Alpha多样性分析显示模型组observed species、ACE、Chao1和PD whole-tree指数显著降低，AKBA组显著逆转；Beta多样性显示三组微生物群落组成存在差异（PERMANOVA R²=0.1885，P=0.0015），Control与Model组差异显著（R²=0.1691，校正P=0.0126）；门水平层级聚类显示AKBA组与对照组先聚类；LEfSe分析显示对照组优势菌群为f_Prevotellaceae、f_Moraxellaceae等，模型组为f_Eggerthellaceae，AKBA组为f_Lactobacillaceae和f_Ruminococcaceae；差异丰度分析显示缺氧暴露与Moraxellaceae、Corynebacteriaceae和Prevotellaceae相对丰度降低及Muribaculaceae、Staphylococcaceae和Bacteroidaceae增加相关，AKBA给药使部分分类群向对照组水平变化，但经BH FDR校正后均未达统计学显著性，应视为探索性趋势；功能预测分析显示Control和AKBA-H组预测功能谱相对相似，Model组呈不同 profile；Spearman相关性分析显示SLC2A1和PTGS1与选定细菌分类群呈 broadly similar相关模式，BCL2L1呈不同相关 profile，但均为探索性发现。

讨论部分总结：HICI与神经炎症、氧化应激、代谢紊乱和神经稳态受损密切相关。乳香及其主要乳香酸类因抗炎、抗氧化和神经保护特性受到越来越多关注，但AKBA在HICI中的作用尚不完全清楚。本研究采用生物信息学与体内实验整合策略，识别了候选分子介质并提供证据表明AKBA治疗与缺氧条件下认知和神经病理结局改善相关。研究人员聚焦SLC2A1、PTGS1和BCL2L1作为候选分子介质，这些蛋白分别参与葡萄糖转运和代谢适应、前列腺素相关炎症反应以及细胞存活调控。计算分析提示AKBA与这些候选蛋白之间存在潜在结构兼容性，体内实验识别了其皮层蛋白表达的治疗相关变化，但未建立直接AKBA-蛋白相互作用、神经保护的因果参与或明确的信号层级。SLC2A1（GLUT1）是跨膜葡萄糖摄取的限速转运体，其表达受缺氧信号精确调控并随氧剥夺强度和持续时间成比例增加；持续GLUT1过表达导致乳酸过度积累、细胞外酸化并启动促炎级联。PTGS1（COX-1）促进前列腺素合成、放大小胶质细胞炎症反应并促进ROS和RNS产生。BCL2L1（Bcl-xL）是线粒体抗凋亡蛋白，缺氧应激和过量ROS抑制其神经保护功能，导致神经元凋亡和突触损伤。值得注意的是，BCL2L1在人转录组数据集和小鼠实验中呈现不同表达模式：GSE103940中人外周血高海拔暴露后BCL2L1 mRNA表达增加，而小鼠常压缺氧后皮层BCL2L1蛋白水平降低，这一差异可能反映组织特异性反应、种间差异和实验条件差异（包括氧可用性和暴露持续时间），以及mRNA和蛋白水平不一定一致。氧化应激和炎症失调是HICI的重要病理过程。Keap1/Nrf2信号通路在细胞抗氧化防御中起核心作用，Nrf2信号还参与BDNF表达和神经元存活的调控。本研究中AKBA给药与皮层Nrf2、HO-1、NQO1和BDNF水平升高以及Keap1和NF-κB蛋白水平降低和促炎介质浓度降低相关，提示AKBA相关神经保护可能涉及抗氧化防御和炎症相关分子反应的改变，但由于主要评估总蛋白丰度，未直接建立Nrf2激活或NF-κB抑制。肠道菌群方面，缺氧模型表现 characteristic microbial dysbiosis，AKBA治疗在科和属水平有效改善缺氧诱导的肠道菌群失调，但微生物群变化是否因果贡献于神经保护效应尚待确定。研究局限性包括：SLC2A1、PTGS1和BCL2L1与AKBA的直接相互作用和因果贡献未经验证；肠道菌群改变对神经保护效应的因果贡献不清楚，相关性基于仅9个动物匹配样本且可能部分反映治疗组差异，组特异性饲养可能引入笼相关混杂；候选基因最初使用人外周血转录组数据鉴定而后续蛋白分析在小鼠大脑皮层进行，跨组织和跨物种差异限制分子发现的可推广性；AKBA给药与缺氧暴露同步开始，支持缺氧期间的保护效应而非已建立认知障碍的治疗逆转；仅纳入雄性小鼠，性别依赖性差异未探索。研究结论部分翻译：本研究采用生物信息学与体内实验相结合的综合方法，探究AKBA对缺氧诱导认知功能障碍的保护作用。研究结果表明，缺氧暴露期间AKBA给药减轻了认知缺陷，伴随神经炎症和氧化应激降低、胶质反应改变以及MBP免疫反应性保留。这些保护效应与皮层SLC2A1、PTGS1和BCL2L1表达改变以及肠道菌群组成变化相关，提示它们可能参与AKBA相关神经保护。然而，这些候选蛋白和肠道菌群改变的因果贡献尚待确定。综上所述，这些发现提供了初步的临床前证据支持AKBA在缺氧条件下的神经保护潜力，值得进一步的机制和治疗研究。