STN-DBS在帕金森病大鼠模型中发挥神经保护与抗炎作用

《Frontiers in Immunology》：STN-DBS exerts neuroprotection and anti-inflammatory effects in a Parkinson’s disease rat model

　　

背景：帕金森病（Parkinson’s disease, PD）是一种以多巴胺能（dopaminergic, DA）神经元丢失和慢性神经炎症为特征的进行性神经退行性疾病。丘脑底核深部脑刺激（subthalamic nucleus deep brain stimulation, STN-DBS）在临床上可有效缓解帕金森病运动症状。本研究使用研究人员自制装置，在单侧6-羟基多巴胺（6-hydroxydopamine, 6-OHDA）诱导的PD大鼠模型中，探讨STN-DBS对神经保护及慢性神经炎症的作用。方法：雄性Sprague–Dawley大鼠接受纹状体6-OHDA注射，随后进行同侧STN电极植入和高频刺激。通过旷场实验和阿扑吗啡诱导旋转实验评估运动功能。采用Western blotting、免疫荧光和RT-qPCR检测黑质纹状体系统中DA神经元存活、胶质细胞表型变化及核因子（nuclear factor, NF）-κB通路活性。结果：STN-DBS改善了运动缺陷，减少了酪氨酸羟化酶阳性神经元的丢失。STN-DBS促进星形胶质细胞呈现神经保护表型并增加脑源性神经营养因子表达，小胶质细胞主要表现为抗炎M2表型而非促炎M1表型。这些效应可能与IκB-α稳定化、NF-κB过度活化的抑制以及下游促炎细胞因子释放的减少有关。结论：研究结果强调，研究人员自制的STN-DBS装置能够抑制NF-κB、调节胶质细胞表型、减轻神经炎症，并最终改善帕金森病运动缺陷。

**论文解读：STN-DBS对帕金森病大鼠模型的神经保护与抗炎作用机制研究**

**一、研究背景与目的**

帕金森病（Parkinson’s disease, PD）是第二大常见的神经退行性疾病，其病理特征为黑质致密部多巴胺能（dopaminergic, DA）神经元的进行性丢失，临床表现为静止性震颤、运动迟缓、肌强直等运动症状。随着全球人口老龄化加速，PD的发病率和患病率持续上升，给社会和医疗体系带来沉重负担。PD的确切发病机制尚不完全清楚，但遗传因素、环境暴露、氧化应激、线粒体功能障碍和神经炎症被认为共同驱动疾病进展。其中，神经炎症被认为是PD病理进展的关键因素之一。PD患者脑脊液和死后脑组织分析显示广泛的小胶质细胞活化和促炎细胞因子水平升高，过度活化的小胶质细胞可释放细胞毒性介质，触发神经毒性级联反应。此外，反应性星形胶质细胞也在多种神经退行性疾病中发挥重要作用。因此，靶向神经炎症已成为PD治疗一个有前景的策略。

深部脑刺激（deep brain stimulation, DBS）是缓解PD运动症状的成熟有效的外科干预手段。丘脑底核（subthalamic nucleus, STN）是PD治疗中最常用的DBS靶点之一，5年随机对照试验证实STN-DBS可长期改善运动功能并提高生活质量。传统观点认为DBS通过调节神经环路活动发挥症状缓解作用，但越来越多的证据提示DBS可能还具有神经保护效应。已有研究表明胶质细胞可能参与DBS的治疗作用，例如DBS可激活星形胶质细胞，诱导谷氨酸、腺苷等多种神经递质的释放，调节神经元活性，并促进脑源性神经营养因子（brain-derived neurotrophic factor, BDNF）的表达。然而，STN-DBS是否通过调节神经炎症微环境、调控胶质细胞表型转化以及影响核因子（nuclear factor, NF）-κB信号通路来发挥神经保护作用，尚需系统研究。本研究采用6-羟基多巴胺（6-hydroxydopamine, 6-OHDA）诱导的PD大鼠模型，利用自制装置，系统评估STN-DBS对运动功能和DA神经元存活的影响，并探讨其对小胶质细胞极化和星形胶质细胞表型、神经营养因子表达以及NF-κB信号通路活化的调控作用。

**二、关键技术方法**

研究人员构建了单侧6-OHDA诱导的PD大鼠模型：雄性Sprague–Dawley大鼠接受左侧纹状体两点6-OHDA注射。模型验证采用阿扑吗啡（apomorphine, APO）诱导旋转实验，以每分钟旋转次数超过7次的动物入组并随机分为PD组和PD-DBS组。溶剂注射大鼠随机分为Control组和Control-DBS组。自制镍钛合金微电极植入左侧STN，刺激参数为频率150 Hz、电压2 V、脉宽90 μs，于第36天给予1小时电刺激。运动功能通过旷场实验和APO诱导旋转实验评估；DA神经元存活、α-突触核蛋白（α-synuclein, α-syn）聚集、胶质细胞表型及NF-κB通路蛋白表达通过Western blotting、免疫荧光染色和RT-qPCR检测；电极位置通过HE染色验证。

**三、研究结果**

**3.1 实验流程与电极位置验证**：研究人员通过时间线设计明确了PD模型建立、行为学检测和电刺激的时间节点。HE染色证实电极轨迹和尖端均位于左侧STN内，确保刺激位置的准确性。

**3.2 STN-DBS显著改善6-OHDA诱导PD大鼠的运动缺陷**：旷场实验结果显示，6-OHDA注射后大鼠运动总距离和平均速度显著下降，而溶剂注射无此效应；APO诱导旋转实验证实6-OHDA损伤大鼠出现明显对侧旋转行为，表明PD模型构建成功。STN-DBS干预后，PD-DBS组大鼠运动总距离和平均速度较刺激前显著提高，而Control-DBS组无变化，提示电极植入和STN电刺激在对照大鼠中均可耐受。Stimulation-APO实验进一步表明，电刺激期间PD-DBS组大鼠APO诱导的旋转次数显著减少。这些结果证明STN-DBS可有效缓解6-OHDA诱导的PD大鼠运动障碍。

**3.3 STN-DBS保护DA神经元并抑制病理性α-syn聚集**：免疫荧光染色显示，PD组左侧纹状体和黑质中酪氨酸羟化酶（tyrosine hydroxylase, TH）阳性纤维密度和神经元数量较Control组显著减少，而PD-DBS组TH表达较PD组显著增加。Western blotting结果证实，PD组黑质TH蛋白水平显著降低，PD-DBS组较PD组升高，且Control组与Control-DBS组无差异。此外，PD组黑质中出现明显的α-syn病理性聚集，而STN-DBS干预后α-syn分布更接近对照动物的弥漫性模式。表明STN-DBS不仅保护DA神经元免于退变，还能减轻α-syn聚集病理。

**3.4 STN-DBS抑制小胶质细胞过度活化并促进抗炎表型**：免疫荧光结果显示，PD组黑质中离子钙结合适配器分子1（ionized calcium binding adapter molecule 1, Iba-1）阳性小胶质细胞显著增多，STN-DBS可显著抑制这一过度表达。PD组诱导型一氧化氮合酶（inducible nitric oxide synthase, iNOS）表达明显高于其他三组，而精氨酸酶1（arginase 1, Arg1）表达几乎检测不到；PD-DBS组iNOS降低、Arg1表达恢复，提示STN-DBS可抑制促炎M1表型并促进抗炎M2表型。与表型变化一致，STN-DBS显著降低了PD组升高的促炎因子肿瘤坏死因子-α（tumor necrosis factor-α, TNF-α）表达，增加了抗炎因子白细胞介素-10（interleukin-10, IL-10）的表达，建立神经保护性炎症微环境。

**3.5 STN-DBS重塑反应性星形胶质细胞并促进神经营养因子表达**：PD组星形胶质细胞呈现反应性增生，表现为胶质纤维酸性蛋白（glial fibrillary acidic protein, GFAP）阳性细胞胞体肥大、突起增粗缩短，同时BDNF表达显著减少。STN-DBS干预可减轻星形胶质细胞反应性，恢复BDNF表达，Western blotting进一步证实PD-DBS组GFAP蛋白水平较PD组显著降低，表明STN-DBS可重塑星形胶质细胞功能并恢复BDNF表达，缓解PD病理状态下的神经炎症。

**3.6 STN-DBS的抗炎作用与NF-κB信号通路相关**：PD组黑质中NF-κB抑制蛋白IκB-α表达显著降低，而NF-κB p65表达显著升高，表明NF-κB信号通路被异常激活；STN-DBS治疗可恢复IκB-α和NF-κB p65的异常表达，提示其可阻断NF-κB通路的活化。RT-qPCR结果显示，STN-DBS显著降低了PD组升高的促炎因子TNF-α和白细胞介素-1β（interleukin-1β, IL-1β）基因表达，并增加了抗炎因子IL-10的基因表达。此外，PD组Caspase-3表达显著升高，而PD-DBS组较PD组显著下降，表明STN-DBS具有抗凋亡效应。

**四、讨论与结论**

本研究证实，自制装置进行STN-DBS可改善6-OHDA诱导PD大鼠模型的运动功能，其机制涉及抑制神经炎症和重塑胶质细胞功能。STN-DBS可改善运动缺陷、挽救DA神经元并抑制α-syn病理性聚集，为DBS的病理修饰潜力提供了病理学证据。STN-DBS能够抑制小胶质细胞标志物Iba-1的过度表达，抑制小胶质细胞向促炎M1表型极化，促进抗炎M2表型表达。对星形胶质细胞而言，STN-DBS可抑制GFAP表达以减少胶质瘢痕形成，同时恢复反应性星形胶质细胞中BDNF的表达，为受损神经元提供营养支持。在分子机制层面，STN-DBS通过抑制NF-κB信号通路的激活，减少NF-κB驱动的促炎基因（TNF-α和IL-1β）转录，增强抗炎因子IL-10基因转录，进而减轻炎症诱导的细胞凋亡。研究结论：本研究发现证实了自制STN-DBS装置对PD的神经保护作用，其机制涉及调节胶质细胞表型、抑制促炎反应和增强神经营养支持，以及抑制NF-κB信号通路，显示出延缓神经退行性病理的显著潜力。研究结果也有助于深入理解DBS的治疗效应，并为STN-DBS治疗PD提供了明确的分子靶点。