神经病理性疼痛中脑星形胶质细胞糖酵解功能受损：从转录组学分析到代谢干预的探索

《International Journal of Molecular Sciences》：Impaired Brain Astrocytic Glycolysis in Neuropathic Pain: Insights from Transcriptomic Profiling to Metabolic Intervention

　　

神经病理性疼痛是一种以感觉过敏和情感障碍为特征的慢性疾病，目前治疗方法往往只能提供有限缓解。针对疼痛中星形胶质细胞的研究主要集中于脊髓机制。慢性外周神经损伤是否改变脑星形胶质细胞代谢仍不清楚。本研究中，研究人员在 spared nerve injury（SNI）后从成年小鼠全脑制备物中分离星形胶质细胞进行转录组学分析，并鉴定出星形胶质细胞糖酵解的协调性抑制，其特征为多个基因（Aldoc、Pfkp、Pfkm、Slc2a12 和 Slc2a13）的下调。实时 Seahorse 通量分析显示，SNI 来源的星形胶质细胞糖酵解活性和糖酵解能力降低。研究人员通过脑室内给予乙酸钠——一种星形胶质细胞优先利用的能量底物。与溶剂处理相比，乙酸钠增加了分离星形胶质细胞的糖酵解活性和能力，并部分改善了 SNI 小鼠的疼痛相关行为。本研究结果确定了 SNI 后全脑制备物中分离的星形胶质细胞糖酵解功能降低。这些发现支持进一步研究星形胶质细胞代谢作为慢性疼痛及其情感后果潜在治疗靶点的价值。

神经病理性疼痛中脑星形胶质细胞糖酵解功能受损：从转录组学分析到代谢干预的探索

一、研究背景与科学问题

神经病理性疼痛源于躯体感觉神经系统的损伤或疾病，以严重的感觉过敏和高发的致残性情感共病为特征。长期以来，疼痛研究主要聚焦于神经元过度兴奋、离子通道功能障碍和突触传递异常等神经元机制。然而，针对这些神经元机制的治疗往往缓解不足或引发难以耐受的中枢神经系统副作用，提示持续性疼痛不仅涉及神经元自主放电，还涉及多细胞中枢神经系统环境的紊乱。近年来，研究视野已从孤立神经环路扩展到神经胶质相互作用，反应性星形胶质细胞被确认为慢性疼痛发生与维持的重要调节者。星形胶质细胞曾被视为被动结构支持细胞，现已被认识到是突触代谢和功能的活跃调节者。外周神经损伤后，星形胶质细胞发生广泛的形态和生化重塑，通过分泌神经炎症介质和清除神经递质驱动中枢敏化。这些稳态功能在脊髓上环路和情感加工中可能尤为重要，持续性疼痛对神经血管单元施加持续代谢需求。由于星形胶质细胞功能与其内在代谢能力密切相关，表征星形胶质细胞代谢重塑有助于解释外周损伤如何驱动中枢神经网络适应不良变化。脊髓背角反应性星形胶质增生已被充分表征为局部伤害性敏化的促成因素，但脑星形胶质细胞在慢性疼痛中是否发生协调性代谢功能障碍及其是否参与相关情感共病仍不清楚。研究人员假设持续性神经病理性疼痛对脊髓上星形胶质细胞施加持续生物能量应激，诱导适应不良的低代谢状态并破坏神经胶质代谢偶联。

二、研究设计与主要技术方法

为验证上述假设，研究人员采用小鼠 spared nerve injury（SNI）模型。主要关键技术方法包括：利用磁激活细胞分选（MACS）从成年小鼠全脑制备物中分离星形胶质细胞，结合高通量 RNA 测序进行转录组分析；采用实时 Seahorse 通量分析测定细胞外酸化率（ECAR）评估糖酵解活性和糖酵解能力；通过免疫荧光和 Western blot 验证星形胶质细胞富集纯度；采用实时定量 PCR（qPCR）验证关键基因表达；通过脑室内注射给予乙酸钠进行代谢干预；结合行为学测试（包括 von Frey 机械痛阈测定、热辐射缩爪潜伏期测定、强迫游泳实验、蔗糖偏好实验和旷场实验）评估疼痛相关感觉和情感行为。所有小鼠均为成年雄性 C57BL/6 小鼠，随机分组，行为学评估由对分组设盲的研究人员实施。

三、主要研究结果

3.1 SNI 模型验证与星形胶质细胞转录组数据质量控制

研究人员成功建立 SNI 小鼠模型。与假手术对照相比，SNI 小鼠术后第 1、3、7、14 天出现进行性且显著的机械痛阈（PWMT）和热痛潜伏期（PWTL）降低，且损伤侧后肢痛觉阈值显著低于对侧，确认模型建立成功。术后第 14 天通过 MACS 分离星形胶质细胞，免疫荧光显示 GFAP 阳性细胞比例达 99%，RNA-seq 数据显示星形胶质细胞标志基因高表达而其他细胞类型标志基因低表达，Q20 评分均超过 96%，基因组比对率平均为 97.33%，满足下游分析要求。

3.2 SNI 后脑星形胶质细胞基因表达谱改变

主成分分析显示 SNI 组与假手术组明显分离，共鉴定出 1491 个差异表达基因（DEGs），其中 440 个上调、1051 个下调。基因本体（GO）富集分析显示生物学过程类别中富集术语集中于离子稳态与转运、细胞组织与细胞间相互作用、代谢或免疫相关三大主题；细胞组分和分子功能类别富集了 Na?/K?-ATPase 复合体、离子反向转运体活性和氧化还原酶活性。KEGG 通路富集分析突出氨基酸和氮代谢、胆汁酸生物合成与分泌、维生素/辅因子代谢、离子偶联转运过程以及神经递质相关突触通路，多项涉及钠处理和酸碱平衡的通路被鉴定，强调离子转运与细胞能量代谢的紧密偶联。

3.3 SNI 后星形胶质细胞代谢相关转录变化

研究人员鉴定出 126 个代谢相关 DEGs。蛋白-蛋白相互作用（PPI）网络分析显示糖酵解相关基因编码蛋白高度互联，线粒体功能和氧化代谢相关基因形成独立且中心连接的模块，将糖酵解与下游能量代谢相关联。通路富集分析显示氨基酸生物合成、不饱和脂肪酸生物合成、碳代谢、脂肪酸代谢、糖酵解/糖异生和磷酸戊糖通路等多个核心代谢通路显著富集，提示星形胶质细胞代谢改变反映互联代谢系统的协调重塑。

3.4 SNI 后星形胶质细胞糖酵解相关基因表达降低和糖酵解能力下降

SNI 组中多个糖酵解相关基因显著下调，包括 Aldoc、Pfkp、Pfkm 和 Slc2a12，以及编码质子偶联肌醇转运体 HMIT 的 Slc2a13 表达降低。基因集富集分析（GSEA）确认 SNI 星形胶质细胞中糖酵解通路负富集（NES < 0）。qPCR 验证了上述基因表达显著降低。Seahorse ECAR 分析显示 SNI 来源星形胶质细胞糖酵解活性和糖酵解能力均降低，确认分子变化伴随功能性代谢损伤。

3.5 乙酸钠给药增强星形胶质细胞糖酵解能力并改善疼痛相关行为

研究人员选择星形胶质细胞优先利用的能量底物乙酸钠，通过脑室内注射给予 SNI 小鼠。Seahorse ECAR 分析显示，乙酸钠处理的 SNI 小鼠来源星形胶质细胞糖酵解活性和糖酵解能力均高于溶剂处理组。行为学结果显示，乙酸钠处理的 SNI 小鼠 PWMT 和 PWTL 显著升高，提示机械性异常性疼痛和热痛觉过敏减轻；强迫游泳实验不动时间显著减少，蔗糖偏好增加，旷场实验中心区停留时间延长，提示抑郁样和焦虑样行为改善。各组间总运动距离和运动速度无显著差异，排除运动能力改变对行为结果的干扰。

四、讨论与结论

本研究为神经病理性疼痛的星形胶质细胞机制增加了代谢维度，首次在 SNI 后全脑制备物中分离的星形胶质细胞中鉴定出糖酵解功能受损。转录组分析和靶向基因表达分析揭示多个糖酵解相关基因表达降低，伴随基础糖酵解和糖酵解能力下降。与脊髓星形胶质细胞在急性敏化期间增加糖酵解和乳酸产生的报道不同，脑星形胶质细胞在持续应激下可能进入糖酵解能力降低的状态，这种差异可能源于解剖位置和疾病阶段的区别。星形胶质细胞糖酵解功能受损可能限制对高级神经网络的代谢支持，影响突触稳态和环路功能。乙酸钠给药部分改善疼痛相关行为，支持星形胶质细胞代谢与神经病理性疼痛表型之间的功能联系，但乙酸钠的优先利用并不能在现有实验条件下确立星形胶质细胞特异性作用，行为改善也不能特异归因于糖酵解通路变化。研究存在若干局限：全脑取样无法解析区域或半球异质性；仅研究雄性小鼠，未评估性别差异；离体培养条件可能影响表型。未来需采用空间分辨转录组分析、纵向分析和活体脑葡萄糖代谢测量进一步明确这些改变的解剖分布、时间演变和功能意义。

结论：总之，SNI 与全脑制备物中分离的星形胶质细胞糖酵解相关基因表达和糖酵解功能降低相关。中枢给予乙酸钠增加了星形胶质细胞糖酵解指标并减轻了 SNI 小鼠的感觉和情感疼痛相关行为。这些发现支持进一步研究星形胶质细胞代谢作为潜在治疗靶点，而乙酸钠效应的细胞和代谢机制仍有待阐明。