丙泊酚诱导大鼠神经适应性改变时前额叶皮层重塑及谷氨酸变化的转录组特征研究——基于Glu-CEST MRI技术

《Neurochemistry International》：Transcriptomic Characterization of Prefrontal Cortical Remodeling and Glutamate Changes Detected by Glu-CEST MRI in Rats with Propofol-Induced Neuroadaptations

　　摘要
丙泊酚是一种广泛使用的静脉麻醉剂，但其存在被忽视的滥用和成瘾风险。然而，与丙泊酚诱导的神经适应性变化相关的前额叶皮层分子改变以及体内谷氨酸能系统的变化仍缺乏充分研究。本研究通过14天的固定比例1强化训练，建立了大鼠静脉自我给药模型。开放场试验结果显示，经过丙泊酚处理的大鼠在训练后表现出显著增强的自主活动能力以及降低的焦虑状态。对前额叶皮层组织进行RNA测序后，共检测到174个差异表达基因，其中下调基因的数量（133个）远多于上调基因（41个）。基因富集分析显示，上调的差异表达基因主要与氧化应激损伤、一氧化氮信号传导及血红蛋白相关的氧代谢途径相关，而下调的基因则与神经肽信号通路、精神刺激剂反应机制以及神经退行性疾病相关，这些结果表明长期接触丙泊酚会导致前额叶皮层出现大规模的抑制性转录重塑。7.0T下的Glu-CEST磁共振成像显示，与生理盐水对照组相比，丙泊酚处理组的大脑整体谷氨酸水平显著升高，尤其是运动皮层区域的升高更为明显，这表明中枢神经系统存在谷氨酸调节异常的问题。这些发现从分子和神经影像学层面全面揭示了长期使用丙泊酚的病理特征，指出前额叶皮层的氧化应激、神经肽系统功能抑制以及谷氨酸信号传导紊乱可能是其成瘾的潜在机制，同时表明Glu-CEST成像有望成为检测麻醉剂滥用的非侵入性生物标志物。

引言
丙泊酚（2,6-二异丙基苯酚）是用于诱导和维持全身麻醉以及重症监护室中手术镇静的最常用静脉麻醉剂之一。由于其起效快、作用时间短且药代动力学特性良好，近年来其在临床上的应用范围不断扩大，尤其是在无痛内镜手术和日间手术中得到了广泛应用（Uzbay和Shahzadi，2025）。然而，越来越多的临床和实验证据表明，丙泊酚具有较高的滥用风险和成瘾潜力。这类滥用案例多发生在能够轻易获取该药物的医疗工作者中，多项系统性综述也记录了全球范围内大量此类事件（Burnett等人，2023）。有些患者在接受丙泊酚镇静时会出现愉悦感、欣快感，甚至出现幻觉、生动梦境以及整体幸福感，这些现象被认为是丙泊酚具有强化效应的关键因素（Zhao等人，2023）。这些观察结果表明，丙泊酚存在不容忽视的物质使用障碍风险，而这一风险在目前许多地区的监管规定中并未得到体现。

为了研究丙泊酚的强化效应，研究人员在啮齿动物身上采用了静脉自我给药模型，这一模型被视为评估精神活性物质滥用潜力的最佳临床前模型。近年来的研究开始揭示丙泊酚诱发寻求行为的神经生物学基础。例如，伏隔核内的细胞外信号调节激酶信号传导被认定为触发丙泊酚寻求行为的重要介质，有研究表明伏隔核壳层的ERK通路激活会促进自我给药行为的再次出现（Wang等人，2022）。此外，基底外侧杏仁核通过AMPA受体向伏隔核壳层传递的兴奋性谷氨酸信号也被证实与丙泊酚成瘾有关，这说明皮质-边缘回路在维持药物寻求行为中起着重要作用（Dong等人，2023）。伏隔核壳层中的NMDA受体功能也已被阐明，有证据表明NMDA受体激活后的D1受体/ERK/CREB信号级联反应能够调控丙泊酚的强化效应（Li等人，2024）。总体而言，这些研究将丙泊酚成瘾置于以中边路多巴胺能系统和谷氨酸能系统功能紊乱为特征的物质使用障碍框架之下（Koob和Volkow，2016）。

包括丙泊酚在内的物质使用障碍会导致奖赏回路、执行功能网络以及运动控制系统出现显著的神经适应性变化。在长期药物暴露和成瘾所导致的各种行为变化中，自主活动能力的改变是一种已被广泛研究且具有实际应用价值的表型。开放场试验长期以来一直被用作评估啮齿动物自主活动和探索行为的可靠方法，它可以通过测量动物的总活动距离、中心区域探索行为以及趋近行为，从而反映其运动能力和焦虑状态的变化（Everitt和Robbins，2016；Kraeuter等人，2019）。在药物成瘾研究中，在建立自我给药模型前后进行系统的行为分析，对于了解长期药物暴露带来的表型变化以及验证模型的功能性具有重要意义（Ozdemir等人，2024；Santos-Baldaia等人，2023）。

前额叶皮层，尤其是前额叶皮质，在成瘾神经科学中占据核心地位。作为执行控制、决策制定和冲动调节的主要皮质结构，前额叶皮质对皮下奖赏回路具有自上而下的抑制作用；而在从娱乐性药物使用发展为强迫性药物寻求的过程中，这种抑制作用会严重受损（Goldstein和Volkow，2002，2011）。通过高通量RNA测序技术对前额叶皮层组织进行转录组分析，已成为识别与神经精神疾病及成瘾相关神经适应性变化的重要手段。基于参考基因组的转录组分析能够全面检测差异表达基因、长非编码RNA以及可变剪接事件，这些因素可能共同导致行为模型中出现的功能变化。在成瘾研究中，对前额叶皮层等脑区的RNA测序分析可以揭示与神经递质受体表达改变、突触重塑以及炎症级联反应相关的转录特征，这些因素共同作用于维持成瘾行为。这类转录组数据为理解长期使用丙泊酚如何重塑调控奖赏处理和行为控制的皮质基因网络提供了分子层面的依据。

谷氨酸是哺乳动物中枢神经系统中最主要的兴奋性神经递质，它在突触可塑性、学习记忆以及运动功能中发挥着不可或缺的作用（Márquez等人，2017）。谷氨酸能神经传递的功能紊乱是多种物质使用障碍的共同特征。由于丙泊酚的主要药理作用是通过增强GABA-A受体活性并抑制NMDA受体来实现的，因此长期使用丙泊酚很可能会导致谷氨酸能系统出现代偿性调整，包括NMDA受体表达的上调以及突触前谷氨酸释放量的变化（Chen等人，2020）。同时，星形胶质细胞也可能通过加速谷氨酰胺分解来提升谷氨酸浓度，从而促使神经元兴奋性及兴奋-抑制平衡发生补偿性改变。Gln-Glu-GABA循环有助于维持神经递质的稳态，其中谷氨酰胺是星形胶质细胞合成谷氨酸和随后生成GABA的主要前体（Andersen，2025；Mahmoud等人，2019）。然而，长期接触丙泊酚后，大脑整体以及运动皮层内的谷氨酸空间分布变化尚未得到系统研究。

为填补这一研究空白，谷氨酸加权化学交换饱和转移磁共振成像技术提供了一种有效的解决方案。这是一种新型的分子成像技术，能够以高灵敏度实现活体大脑中谷氨酸分布的无创、空间分辨率高的定量分析。Glu-CEST技术利用谷氨酸胺基质子（其化学位移约为3.0 ppm）与周围水分子之间的化学交换作用产生对比信号，该信号对局部谷氨酸浓度的变化十分敏感。已有研究在多个脑区将Glu-CEST信号的检测结果与金标准——质子磁共振波谱检测结果进行比对，证明了其在生理条件下降解谷氨酸的特异性（Shen等人，2025；Zhuang等人，2023）。该技术已在临床前大鼠模型中成功应用于研究创伤性脑损伤、抑郁症、一氧化碳中毒以及脱髓鞘疾病所引起的谷氨酸变化，证明了其在检测神经化学功能障碍方面的多功能性（Li等人，2024；Liu等人，2025；Xu等人，2022）。此外，对尼古丁依赖人群进行的Glu-CEST成像研究也证明了该技术在分析物质使用障碍相关奖赏皮层区域的谷氨酸变化方面的可行性（Jacobs等人，2024），这表明该技术有望用于研究长期接触丙泊酚的动物模型中的谷氨酸能系统变化。

尽管人们越来越认识到丙泊酚的成瘾性，也有大量研究阐述了其与中边路多巴胺能系统相关的成瘾机制，但仍有若干关键问题有待解决。目前尚无针对丙泊酚处理动物前额叶皮层转录组的系统研究，而且丙泊酚导致的全脑及特定脑区谷氨酸水平的变化也尚未在活体动物中进行过详细研究。为弥补这些不足，本研究通过静脉自我给药训练建立了慢性丙泊酚使用的大鼠模型，利用开放场试验分析了模型建立前后大鼠自主活动能力的改变，通过参考基因组指导的转录组测序技术识别了差异表达基因及相关的功能通路，同时还运用Glu-CEST成像技术分析了活体大鼠全脑及运动皮层的谷氨酸水平。通过整合行为学、转录组学和神经影像学分析方法，本研究旨在从分子和系统层面全面揭示丙泊酚滥用的特征，进而加深我们对麻醉剂滥用神经生物学机制的理解，并为寻找新的分子和神经影像学生物标志物以指导治疗策略的制定提供依据。

动物实验部分
实验动物
实验所用雄性SD大鼠年龄为8–10周，体重约为280–310克，购自北京维通利华实验动物科技有限公司，随后被安置在汕头大学医学院实验动物中心，在受控环境下饲养（温度：20–26°C；湿度：40–70%；光照周期为12小时/黑暗12小时，早晨8点开始照明），可自由获取食物和水。实验开始前，这些大鼠被随机分为两组：实验组（模型组）和对照组。

模型组与对照组大鼠的自我给药行为变化
经过14天的连续训练后，丙泊酚处理组的大鼠成功形成了稳定的自我给药行为，而对照组则未出现此类趋势。如图2A所示，丙泊酚处理组大鼠的用药次数在训练过程中逐渐增加，每日平均用药次数从第1天的14.63 ± 7.35次上升至第14天的27.63 ± 3.85次，最终所有大鼠都达到了稳定的用药水平。方差分析结果显示，两组之间存在显著差异。

讨论
在本研究中，我们成功建立了大鼠静脉丙泊酚自我给药训练模型。经过14天的固定比例1强化训练后，模型组大鼠的用药次数逐渐增加，最终形成了稳定的用药模式，各次用药之间的差异小于20%。相比之下，生理盐水对照组大鼠在整个训练期间均未表现出类似的强化行为。这些结果与先前的研究结论一致。

研究的局限性
本研究存在一些局限性。首先，每组的样本数量相对较少，这可能限制了检测组间细微差异的统计能力，同时也降低了转录组分析结果的普遍适用性。其次，仅依靠开放场试验无法确定大鼠的焦虑水平是否发生了变化，后续研究需要结合经典的焦虑行为测试，如升高加迷宫试验和明暗交替试验等。

结论
总之，我们建立了丙泊酚自我给药大鼠模型，用以研究其导致的自主行为异常变化。通过对前额叶皮层的转录组分析，我们发现差异表达基因主要集中在与缺氧应激损伤、神经元凋亡以及神经递质信号失衡相关的关键生物学通路中。进一步通过Glu-CEST成像分析证实，长期接触丙泊酚确实会导致大脑中谷氨酸水平的异常变化。

作者贡献说明
Zelin Zhuang：论文撰写——审阅与编辑、初稿撰写、可视化分析、软件应用、方法设计、正式数据分析、数据整理、概念构思。
Shuhua Ma：论文撰写——审阅与编辑、实验监督、项目管理、资金筹措。
Zikai Huang：论文撰写——初稿撰写、可视化分析、软件应用、方法设计、实验实施、正式数据分析、数据整理、概念构思。
Renhua Wu：实验监督、资金筹措。
Lei Xie：论文撰写——审阅与编辑、项目协调。

未引用文献
Li等人，2024年。

利益声明
作者声明不存在任何利益冲突。

数据与代码获取
如需重新分析本文中的数据，可向通讯作者索取相关资料。

伦理审批
本研究的所有实验操作均符合《中华人民共和国实验动物管理条例》的要求，并已获得汕头大学医学院动物实验伦理委员会的批准。该文件的批准编号为SUMC2022-134。利益冲突声明：作者声明没有利益冲突。致谢：本项工作得到了中国国家自然科学基金（项目编号82274657、82575194、82471974）以及广东省自然科学基金（项目编号2024A1515010813）的资助。RNA文库的测序工作由中国上海的OE Biotech, Inc.完成。我们衷心感谢OE Biotech, Inc.在测序及生物信息学分析方面给予的帮助。生物信息学分析是使用OECloud工具在//cloud.oebiotech.com/task/Zikai Huang|Zelin Zhuang|Yuehua Huang|Xiaoyan Shi|Baowen Guo|Ziquan Xu|Yanbin Chen|Yuyin Cao|Yanmin Zheng|Lei Xie|Renhua Wu|Shuhua Ma网站上进行的。地址：中国汕头市515041，汕头大学医学院第一附属医院放射科。