脊髓少突胶质细胞的代谢重新分配通过神经元Aβ42产生驱动小鼠慢性疼痛

《Science Translational Medicine》：Metabolic reallocation in spinal cord oligodendrocytes drives chronic pain in mice through neuronal Aβ42 production

　　

近期证据表明，传入脊髓回路中的代谢转换是小鼠组织损伤后从急性疼痛相关行为向慢性疼痛相关行为转变的关键驱动因素，但其细胞底物和功能后果仍未完全明确。研究人员结合药理学和遗传学方法，研究了脊髓细胞群体中的代谢重编程是否构成连接外周损伤与疼痛慢性化进程的因果机制。在小鼠后爪福尔马林注射诱导的外周损伤后，单核RNA测序（snRNA-seq）显示脊髓少突胶质细胞下调了髓鞘蛋白合成相关转录本，并上调了脂质生物合成重要转录本。比较脂质组学表明，外周损伤后的这种资源重新分配与脊髓髓鞘组成紊乱相关。此外，轴突完整性受损，导致神经元淀粉样前体蛋白积累、β位点淀粉样前体蛋白切割酶1（BACE1）表达增强，以及在疼痛慢性化转变的关键时间窗口内不溶性淀粉样蛋白-β₄₂（Aβ₄₂）增加。通过BACE1抑制阻断Aβ₄₂产生，或通过鞘内注射4G8单克隆抗体清除Aβ₄₂，可阻止后爪福尔马林注射后持续性疼痛的出现。少突胶质细胞特异性缺失N-酰乙醇胺酸酰胺酶（细胞代谢和疼痛的关键调节因子）可阻止福尔马林注射或坐骨神经结扎诱导的Aβ₄₂释放和慢性疼痛发展。这些发现揭示了慢性疼痛与淀粉样蛋白病理之间意想不到的机制联系，并将NAAA→Aβ₄₂通路确定为疾病修饰干预的靶点。

疼痛影响全球数百万人，常在组织愈合后仍持续存在，演变为抵抗治疗的慢性状态。从急性疼痛向慢性疼痛的转变已被认为是一个独立的生物学过程，而非初始损伤反应的简单延续。既往研究涉及外周和中枢神经元的适应不良可塑性，以及小胶质细胞、星形胶质细胞和单核细胞参与的神经免疫相互作用，但这些机制主要描述了伴随疼痛持续存在的细胞适应，仅能部分解释短暂损伤诱导反应如何稳定为长期病理状态。研究人员前期工作表明，后爪损伤可重编程传入脊髓节段的核心代谢，包括增强糖酵解相关基因转录、增加丙酮酸和乳酸等糖酵解终产物、抑制三羧酸循环（TCA）和氧化磷酸化基因转录并降低TCA中间产物水平，该重编程在损伤后2至4天达到峰值，并与溶酶体酶N-酰乙醇胺酸酰胺酶（NAAA）表达上调同步。然而，这些代谢变化是弥漫性发生于整个脊髓还是局限于特定细胞群体，及其对神经元结构与功能的影响，尚不清楚。本研究旨在阐明脊髓细胞群体中的代谢重编程是否构成连接外周损伤与疼痛慢性化的因果机制。该论文发表于《Science Translational Medicine》。

研究人员采用雄性C57Bl/6小鼠后爪福尔马林注射模型（snRNA-seq每组7个混合生物样本，每样本由3只小鼠脊髓组织混合），结合单核RNA测序（snRNA-seq）、[13C]-葡萄糖示踪代谢流分析联合液相色谱-质谱（LC-MS）、髓鞘蛋白质组学与脂质组学、成像质谱、透射电镜、离体弥散张量成像（DTI）、药理学干预（BACE1抑制剂LY2811376和MK8931、抗Aβ抗体4G8、NAAA抑制剂ARN19702）及遗传学小鼠模型（Naaa^Olig2?/?、Bace1^?/?、5xFAD），并通过行为学测试评估痛觉过敏。另以慢性压迫性损伤（CCI）模型验证普适性。

**外周损伤重编程脊髓少突胶质细胞代谢**

snRNA-seq分析294,900个高质量细胞核，恢复所有主要脊髓细胞类型。神经元、星形胶质细胞和少突胶质前体细胞（OPCs）显示糖酵解基因协调上调，而少突胶质细胞中TCA循环和氧化磷酸化基因强烈下调。代谢流分析证实[13C]-葡萄糖摄取增加、糖酵解中间产物及丙酮酸和乳酸升高、琥珀酸等TCA中间产物降低，表明线粒体呼吸通路中葡萄糖来源碳的进入减少。少突胶质细胞中蛋白合成基因显著下调，髓鞘蛋白基因转录降低，而脂质生物合成基因上调。

**外周损伤改变脊髓髓鞘组成**

髓鞘蛋白质组学分析显示髓鞘碱性蛋白（MBP）和髓鞘少突胶质细胞糖蛋白（MOG）未显著降低，但少突胶质细胞-髓鞘糖蛋白（OMgp）显著下降。髓鞘脂质组学主成分分析（PCA）显示损伤组与对照组明显分离，磷脂酰胆碱（PC）、磷脂酰乙醇胺（PE）、鞘磷脂（SM）和胆固醇水平降低。成像质谱证实白质中多种磷脂广泛耗竭，而灰质中多种PC增加，提示损伤后少突胶质细胞将脂质从髓鞘重新分配至正在经历神经可塑性重塑的灰质区域。

**外周损伤破坏轴突完整性**

透射电镜显示g-ratio和髓鞘厚度保留，但轴突直径呈减小趋势（P=0.06）。离体DTI于损伤后第14天显示L4和L5节段各向异性分数（FA）降低、平均弥散率（MD）升高，提示轴突完整性受损。淀粉样前体蛋白（APP）免疫反应性在损伤后第21天显著升高（P=0.03），App转录亦在多种细胞类型中上调。

**损伤驱动的脊髓Aβ₄₂产生标记持续性疼痛的转变**

snRNA-seq显示Bace1转录在兴奋性神经元中无显著增加（P=0.05），在少突胶质细胞中降低（P<0.001），但神经元中BACE1免疫反应性升高。酶联免疫吸附测定（ELISA）显示不溶性Aβ₄₂在损伤后第4