APOE基因型塑造早期出生后颗粒物暴露后人源化apoE3与apoE4小鼠的持续性行为与分子改变

《NeuroToxicology》：APOE genotype shapes persistent behavioral and molecular alterations following early postnatal particulate matter exposure in humanized apoE3 and apoE4 mice

　　

载脂蛋白E（APOE）基因型塑造了人源化apoE3和apoE4小鼠在早期出生后颗粒物（PM）暴露后的持续性行为与分子改变。早期生命阶段的PM暴露效应取决于APOE基因型和性别。APOE基因型塑造了成年期的行为与分子特征。apoE4小鼠表现出潜在代偿性的海马重塑。PM暴露轻微改变了社交行为和谷氨酸能标志物。

空气污染被公认为全球主要环境健康风险因素之一，颗粒物（particulate matter, PM）吸入与心血管、呼吸及代谢疾病密切相关，并逐渐被证实可影响中枢神经系统，尤其对发育中的大脑构成威胁。遗传背景在个体对环境毒物易感性中起重要作用，其中载脂蛋白E（apolipoprotein E, APOE）ε4等位基因不仅是阿尔茨海默病的最强遗传风险因子，还可能通过影响神经免疫、氧化应激、突触可塑性等机制调节早期脑成熟过程。然而，关于人类APOE亚型如何塑造发育期PM暴露的长期后果，实验证据仍然有限。研究人员的前期工作发现，早期出生后PM暴露可扰乱雌性小鼠体重增长并延缓神经运动发育，且这些效应部分受APOE基因型调节，但早期改变能否延续至成年期尚不清楚。为此，该研究采用人源化apoE3与apoE4靶向替换（targeted replacement, TR）小鼠，在出生后第4至14天（PND4–14）这一对应人类晚期妊娠及新生儿早期关键脑成熟过程的窗口期，每日全身吸入暴露于细颗粒物或生理盐水，随后在成年早期（PND50–96）系统评估运动协调、情绪性、社交性、动机及空间学习记忆行为，并在海马（hippocampus, HPC）和纹状体（striatum, STR）两个脑区进行候选基因表达分析，以探究APOE基因型与性别是否长期调节PM的神经发育毒性。

研究人员使用购自Jackson Laboratory的人源化apoE3（JAX Stock No. 029018）和apoE4（JAX Stock No. 027894）TR小鼠，二者均为C57BL/6背景。PM暴露采用美国国家标准与技术研究院（NIST）标准参考物质2787（平均粒径<10 μm），通过全身吸入染毒系统每日雾化1小时。行为测试包括Rotarod、旷场实验（open field test, OFT）、三箱社交实验（three-chamber social test, 3CST）、糖水偏好实验（sucrose preference test, SPT）和莫里斯水迷宫（Morris water maze, MWM）。基因表达分析采用实时荧光定量PCR（RT-qPCR），以Gapdh和Hprt1作为内参基因，检测HPC和STR中与突触可塑性、谷氨酸能/GABA能传递、胶质激活、髓鞘形成、氧化应激及应激反应相关的候选基因。统计分析采用方差分析（ANOVA）和重复测量ANOVA，并以窝别为统计单位避免伪重复。

研究结果如下：3.1 PM暴露增加apoE3雌性断奶后体重增长。通过体重分析发现，在PND28时apoE4雄性体重高于apoE3雄性，PM暴露雌性有体重降低趋势；断奶后至PND70的体重增长中，apoE3雄性增长多于apoE4雄性，而PM暴露仅显著增加apoE3雌性的体重增长，表明早期PM暴露可瞬时改变生长轨迹。3.2 运动协调与学习受基因型和性别调节。Rotarod实验显示所有动物随试验次数增加运动表现改善，但获得阶段出现Genotype×Sex×Treatment交互，PM暴露的apoE4雄性在首次试验中表现更好，而PM暴露的apoE3雌性在后续试验中潜伏期较低；总体apoE3小鼠跌落次数多于apoE4，但测试期无显著差异，提示早期PM暴露不引起持久的运动协调损伤。3.3 基因型和性别塑造旷场实验中的自发活动与焦虑样行为。OFT中apoE3小鼠比apoE4小鼠移动距离更长、速度更快，雄性比雌性活跃；中央区域探索指标显示apoE4小鼠和雌性表现出更明显的焦虑样表型，且apoE4雌性中央区速度高于apoE3雌性。3.4 三箱社交实验揭示apoE3小鼠社交行为的亚组特异性模式。3CST中所有组均表现出对社交刺激的总体偏好，但PM暴露的apoE3雌性社会偏好未达显著，PM暴露的apoE3雄性及apoE3雌性（对照和PM）对社会新颖性偏好也未达显著，提示某些亚组可能存在社交动机减弱，但未检测到处理主效应。3.5 APOE基因型调节糖水偏好动态而不诱导快感缺失样行为。SPT中所有组均偏好蔗糖溶液，但apoE4小鼠在第1天和第3天表现出比apoE3更高的糖水偏好，且与总液体摄入无关。3.6 APOE基因型影响莫里斯水迷宫表现而无一致的空间记忆缺陷。MWM获得阶段所有动物均随训练改善，apoE4小鼠比apoE3更快到达平台；探针试验中所有组均表现出短期记忆保留，但apoE3对照雄性长期记忆保留可能减弱；逆转学习阶段PM暴露雄性未表现出显著改善；视觉阶段发现apoE3小鼠潜伏期更长，提示非认知因素影响MWM表现。3.7 海马基因表达对PM暴露的反应主要由APOE基因型塑造。HPC中apoE4小鼠突触可塑性基因（Creb1、Dlg4）表达较高，而谷氨酸能标志物（Grin2a、Vglut1）表达较低；PM暴露进一步降低雄性Vglut1表达；髓鞘相关基因（Mog、Plp1）和星形胶质标志物Gfap在apoE4中升高；氧化应激相关基因Gpx1在apoE4中升高，Hmox1在apoE3中升高；应激反应基因Fkbp5在PM暴露的apoE4雄性中降低。3.8 PM暴露选择性调节纹状体突触和多巴胺能/纹状体标志物。STR中PM暴露增加雄性Creb1和整体Vglut1表达，apoE4小鼠Drd2和Ppp1r1b表达高于apoE3，提示APOE基因型影响纹状体多巴胺能信号。

讨论认为，早期PM暴露并非产生普遍神经毒性，而是以基因型、性别和脑区依赖的方式选择性调节行为与分子表型。APOE基因型是成年期行为与分子特征的主要组织者。年轻apoE4小鼠在海马出现广泛的转录重组，但行为表现保留，可能反映代偿性或适应性神经重塑，支持APOE4的拮抗多效性假说。研究局限性包括单一剂量、未原位测量实际气溶胶浓度、无野生型对照以及分子分析为探索性。结论为：早期出生后PM暴露诱导人源化apoE小鼠长期的行为和分子改变，但效应高度选择性并受APOE基因型与性别强烈影响；APOE基因型是塑造成年结局的主要因素，PM暴露主要调节社会行为、任务适应及谷氨酸能和应激相关通路的特定方面；年轻apoE4小鼠表现出广泛海马转录重组但行为保留，支持APOE4可能促进早期成年期适应性或代偿性机制；未来需进一步探究这些分子适应在衰老及神经退行过程中的长期后果。