裸鼹鼠与小鼠海马中脂滴分布及血管化的年龄依赖性差异

《GeroScience》：Age-dependent changes in lipid droplet distribution and vascularization in naked mole rat vs. mouse hippocampus

　　

摘要专业翻译 小胶质细胞中脂滴（lipid droplet, LD）的积累已被报道随衰老及阿尔茨海默病（Alzheimer's disease, AD）等年龄相关疾病而增加。本研究探讨了小鼠与体型相近的长寿啮齿动物裸鼹鼠（naked mole rat, NMR；Heterocephalus glaber）中脂滴动态随年龄增长的变化。研究结果显示，裸鼹鼠海马CA1和CA3区含有大量小胶质细胞脂滴，且CA3区呈年龄依赖性增加；裸鼹鼠神经元脂滴大小不受年龄影响。小鼠海马中小胶质细胞脂滴较少，且无年龄依赖性变化；然而，小鼠CA3区神经元脂滴大小随年龄增长而增加。这些结果可能提示大脑中两种不同的脂质积累调控方式：裸鼹鼠将脂质从神经元转运至小胶质细胞，以防止神经元脂毒性（lipotoxicity）和神经退行性变，而小鼠似乎不存在这一机制。这种细胞间的脂质穿梭可能是一种保护性机制，有助于裸鼹鼠对脑部疾病和损伤表现出高度抵抗性。此外，研究还发现裸鼹鼠在齿状回门区（dentate hilus）、辐射层（stratum radiatum）及感觉/运动皮层中的脑血管化程度低于小鼠。这可能与裸鼹鼠的低代谢率相关，并与其在低氧浓度下无脑损伤存活的能力相一致。

论文解读

一、研究背景与科学问题

随着全球人口老龄化进程加速，理解抵御神经退行性变的细胞机制变得日益迫切。现有研究大多聚焦于疾病易感模型中的病理过程，而针对天然抗病物种的比较研究可能揭示新颖的保护机制。裸鼹鼠（naked mole rat, NMR；Heterocephalus glaber）是一种体型与小鼠相近的啮齿动物，栖息于非洲之角东部的地下洞穴中。它是寿命最长的啮齿动物，圈养条件下寿命可达近40年，且不表现出癌症、心血管疾病或神经退行性变等年龄相关疾病的迹象。裸鼹鼠对缺氧和完全缺氧（anoxia）具有高度耐受性，可在完全无氧条件下存活长达18分钟而无明显脑损伤，部分归因于其从葡萄糖代谢切换至果糖驱动的无氧代谢的独特能力。此外，裸鼹鼠从幼年即高表达可溶性淀粉样蛋白-β（amyloid-β, Aβ）却不形成斑块，并表达不发生错误定位的高分子量tau蛋白。该物种癌症发病率极低，DNA损伤时表现出延长的细胞周期停滞并具有额外的肿瘤抑制基因。

脂滴（lipid droplet, LD）是含有胆固醇酯和甘油三酯等中性脂质的动态细胞内细胞器，由磷脂单层包裹。脂滴由中性脂质在内质网脂双层间积累并出芽生成，seipin和FIT2等蛋白参与该过程。脂滴的主要功能被认为是细胞内的能量储备，主要积累于脂肪细胞。然而，中性脂质在脂滴中的储存也被观察到是对脂毒性和氧化应激的保护机制，在脂质稳态中发挥重要作用。近年来，脂滴在大脑中的作用成为新兴研究领域。已有研究报道小胶质细胞中脂滴积累随年龄增长而增加，并提出了"脂滴积累小胶质细胞"（lipid droplet accumulating microglia, LDAM）的概念，认为其产生活性氧（reactive oxygen species, ROS）并进行低效吞噬，可能在神经退行性变中发挥作用。然而，也有研究提出脂滴从神经元向胶质细胞的转运是对神经元脂毒性和神经退行性变的保护性反应。文献对胶质脂滴积累的损害性和/或保护性作用存在矛盾观点。

目前关于裸鼹鼠脑细胞脂质代谢的研究甚少，而该领域正逐渐被认为对神经元健康和神经退行性变的预防具有重要意义。正常衰老过程中，脑血流量呈区域性下降，海马尤其易受灌注减少的影响。已有研究证明海马血流量的年龄相关减少可能与认知衰退相关。裸鼹鼠是否也受到这些衰老效应的影响仍属未知。基于上述背景，本研究旨在探究裸鼹鼠与小鼠海马神经元和小胶质细胞中脂滴的存在情况、脂滴积累随年龄的变化及其种间差异，并比较两物种的脑血管化程度。

二、研究内容与主要结论

研究人员对4岁和13岁裸鼹鼠（各4只，每年龄组2雌2雄）及相应成熟度的小鼠（26周和52–54周，各4只，每年龄组3雌1雄）的冠状脑切片进行了一系列标记实验。切片用中性脂质探针BODIPY 493/503、小胶质细胞标记物Iba1和星形胶质细胞标记物胶质纤维酸性蛋白（glial fibrillary acidic protein, GFAP）进行共染色。为确认BODIPY信号对应富含脂肪酸的结构，还进行了受激拉曼散射（Stimulated Raman Scattering, SRS）成像，靶向2849.47 cm^-1（CH₂）振动带的亚甲基基团。毛细血管密度分析通过胶原蛋白IV（Collagen IV）免疫标记进行，并以GLUT1和RECA1抗体进行共染色验证。

研究得出以下主要结论：裸鼹鼠海马CA1和CA3区含有大量小胶质细胞脂滴，CA3区呈年龄依赖性增加；裸鼹鼠神经元脂滴大小不受年龄影响。小鼠海马小胶质细胞脂滴较少且无年龄依赖性变化，但CA3区神经元脂滴大小随年龄增长而增加。裸鼹鼠脑中脂滴分布高度偏向小胶质细胞定位，而小鼠脑中脂滴在神经元和小胶质细胞间近乎均等分布。此外，裸鼹鼠在齿状回门区、辐射层及感觉/运动皮层中的毛细血管密度比小鼠低40–66%，且衰老不影响裸鼹鼠的毛细血管密度，而小鼠门区和皮层毛细血管密度随年龄增加。

三、主要关键技术方法

本研究采用了以下关键技术方法：荧光标记结合共聚焦显微镜成像，使用BODIPY 493/503标记脂滴、Iba1标记小胶质细胞、GFAP标记星形胶质细胞；受激拉曼散射（SRS）显微镜验证脂滴信号；基于机器学习的图像分割与分析（Ilastik和WEKA模型）用于小胶质细胞形态学分析和脂滴定量；胶原蛋白IV免疫标记结合GLUT1和RECA1共染色用于毛细血管密度分析。样本来源包括挪威奥斯陆大学基础医学科学研究所饲养的C57BL/6小鼠（幼年26周、中年52–54周）和美国伊利诺伊大学芝加哥分校饲养的裸鼹鼠（约4岁和约13岁）。

四、研究结果

裸鼹鼠非小胶质细胞中的脂滴小于小鼠且无年龄依赖性大小变化

研究人员使用DAPI通道选择CA3和CA1锥体细胞层，并减去Iba1阳性小胶质细胞及其脂滴后分析神经元脂滴。在CA3区，中年小鼠脂滴平均横截面积比年轻小鼠大68%（0.32±0.09 μm² vs 0.19±0.03 μm²；p=0.049），而裸鼹鼠中年组与年轻组无差异（均为0.15±0.02–0.03 μm²；p=1.00）。中年小鼠脂滴大小显著大于年轻裸鼹鼠（p=0.0107）和中年裸鼹鼠（p=0.0122）。脂滴密度（每μm²锥体细胞层的脂滴数）在物种间无差异且不受衰老影响。SRS成像证实BODIPY信号与脂质CH₂基团信号近乎完全重叠，验证了BODIPY标记脂滴的可靠性。在CA1区，两物种均未观察到脂滴大小的年龄依赖性增加，但年轻裸鼹鼠脂滴小于年轻小鼠（0.11±0.02 μm² vs 0.22±0.04 μm²；p=0.0136），中年裸鼹鼠也小于中年小鼠（0.10±0.01 μm² vs 0.26±0.05 μm²；p=0.0011）。

裸鼹鼠海马小胶质细胞脂滴负荷高于小鼠

在CA3区，裸鼹鼠小胶质细胞脂滴覆盖率远高于小鼠，年轻组为12.07±4.96% vs 2.41±1.50%（p=0.0105），中年组为20.06±4.36% vs 1.79±0.98%（p=0.0001）。裸鼹鼠小胶质细胞脂滴覆盖率随年龄增长增加66%（p=0.0304），而小鼠不受衰老影响（p=0.99）。小胶质细胞数量在各组间无显著差异，排除了细胞数量作为混杂因素的可能。在CA1区，小胶质细胞脂滴覆盖率总体比CA3区小50–63%。中年裸鼹鼠的脂滴覆盖率为年轻小鼠的9倍（p=0.0252）和中年小鼠的14倍（p=0.0197）。小鼠和裸鼹鼠CA1区小胶质细胞脂滴覆盖率均不受衰老影响。

微胶质细胞与神经元脂滴比率

微胶质细胞/神经元脂滴比率在裸鼹鼠中显著高于小鼠。CA3区：年轻裸鼹鼠为6.2±3.2 vs 年轻小鼠1.6±0.99（p=0.0239），中年裸鼹鼠为8.0±2.2 vs 中年小鼠0.46±0.306（p=0.0010）。CA1区：年轻裸鼹鼠为19.9±7.8 vs 年轻小鼠0.71±0.83（p=0.0011），中年裸鼹鼠为17.3±7.5 vs 中年小鼠0.33±0.20（p=0.0027）。

小鼠和裸鼹鼠小胶质细胞形态学均几乎无年龄相关差异

在CA3区，两物种小胶质细胞分支数均无年龄组间差异。中年小鼠小胶质细胞平均面积大于年轻小鼠（222±89.7 μm² vs 89±57.3 μm²；p=0.0233），且小鼠小胶质细胞数量有随年龄增加的趋势（p=0.086），提示轻度神经炎症增加。裸鼹鼠小胶质细胞面积不受衰老影响（145.2±26.6 μm² vs 149.2±18 μm²；p=1.00），小胶质细胞数量也无年龄差异，与其抗衰老表型一致。在CA1区，两物种小胶质细胞分支数和面积均无年龄组间差异。

小胶质细胞或神经元脂滴与小胶质细胞分支的相关性

在CA3区，小胶质细胞脂滴积累增加与分支减少（即更反应性形态）相关，小鼠（p<0.01；r²=0.17）和裸鼹鼠（p<0.001；r²=0.14）均如此。CA1区裸鼹鼠也观察到相同关联（p<0.01；r²=0.02），而小鼠CA1区无此相关性（p=0.26；r²=0.07）。神经元脂滴密度与邻近小胶质细胞分支数的相关性分析显示，CA3区两物种均呈正相关趋势但未达统计学显著（裸鼹鼠p<0.08，r²=0.42；小鼠p<0.07，r²=0.46）。CA1区裸鼹鼠神经元脂滴积累与小胶质细胞分支呈强正相关（p<0.01；r²=0.75），小鼠仅呈弱趋势（p<0.11；r²=0.36）。

海马毛细血管密度

齿状回门区毛细血管密度在裸鼹鼠中低于小鼠，年轻组为0.35±0.12% vs 1.00±0.08%（p=0.0001），中年组为0.34±0.11% vs 1.31±0.10%（p<0.0001）。小鼠毛细血管密度随年龄增加（1.31±0.10% vs 1.00±0.08%；p=0.0239），而裸鼹鼠无年龄效应（p=0.10）。CA1辐射层毛细血管密度同样在裸鼹鼠中较低，年轻组为0.62±0.15% vs 1.00±0.08%（p=0.0195），中年组为0.47±0.03% vs 1.24±0.32%（p=0.0005），衰老对两物种均无影响。感觉/运动皮层中，裸鼹鼠毛细血管密度低于小鼠，年轻组为0.45±0.07% vs 1.00±0.12%（p<0.0001），中年组为0.41±0.05% vs 1.27±0.04%（p<0.0001）。小鼠皮层毛细血管密度随年龄增加（p=0.0024），裸鼹鼠无年龄变化（p=0.766）。

五、讨论与结论

本研究发现脂滴存在于裸鼹鼠和小鼠海马的神经元和小胶质细胞中。小鼠脑中脂滴在神经元和小胶质细胞间近乎均等分布，而裸鼹鼠脑中脂滴分布高度偏向小胶质细胞定位。裸鼹鼠小胶质细胞脂滴覆盖率比神经元高6–8倍（CA3区）和16–20倍（CA1区）。衰老过程中，小鼠CA3区神经元脂滴大小增加，而裸鼹鼠神经元脂滴不受衰老影响；相反，裸鼹鼠小胶质细胞脂滴呈年龄依赖性增加，小鼠则无此变化。本研究中中年小鼠（约12月龄）小胶质细胞脂滴覆盖率未增加，可能因为该年龄组仅属中年而非老年，既往研究报告脂滴增加使用的是20–22月龄小鼠。值得注意的是，裸鼹鼠作为几乎不显示脑衰老和疾病迹象的物种，其中年组小胶质细胞脂滴反而更高，提示脂滴积累小胶质细胞并非内在有害。这一发现与脂滴在生理和早期病理阶段起保护作用、仅在过度积累时驱动疾病的观点一致。脂滴的保护作用可能包括缓冲有毒脂质（如过氧化或氧化产物）、在自噬过程中隔离游离脂肪酸以防止脂质过氧化和ROS产生、以及清除错误折叠/聚集蛋白等。此外，神经元似乎依赖脂质的β-氧化供能，尤其是在高活动期。细胞间脂质穿梭由载脂蛋白（如APOE）介导，而APOE4——晚发性阿尔茨海默病最重要的遗传风险因素——显著降低脂质转运效率。裸鼹鼠脑的低血管化可能与其低代谢率相关，并与其在低氧浓度下无脑损伤存活的能力一致。本研究报告的裸鼹鼠与小鼠大脑之间的差异可能促成或反映了裸鼹鼠对脑衰老具有内在适应性的机制。