iScience丨细胞外囊泡：运动对抗阿尔茨海默病治疗的新希望

脑声常谈

2025-01-11 08:50发布于上海科普领域创作者

《动物模型构建与行为学评估》电子版pdf，网盘发货

《动物模型构建与行为学评估》V1.0共计约540页，主要围绕生物医学领域中动物实验的核心方法，详细介绍了如何通过构建动物模型来研究疾病机理，并且使用行为学评估手段验证这些模型的有效性。书中的内容适用于研究人员在进行神经科学、药理学、生物医学等领域的实验时，理解和运用动物模型这一重要工具。

预计到2030年，全球60岁以上人口将从9亿增至14亿以上，随之而来的是与年龄相关的神经退行性疾病如阿尔茨海默病（AD）的发病率增加。全球痴呆症的经济负担估计超过8000亿美元，并预计在未来十年显著增加，因此预防或延缓AD进展的干预措施对提高老年人生活质量具有重要意义。AD以认知能力逐渐下降和淀粉样蛋白（Aβ）积累为特征，目前几乎没有有效的药物治疗选择，AD患者常见的代谢变化（如体重减轻和能量消耗增加）独立于能量摄入的改变。研究表明，AD患者的静息能量消耗（resting energy expenditure, REE）高于同龄对照组。尽管总能量消耗的变化可能与体力活动增加有关，但AD患者的体力活动减少，任务强度降低。转基因AD小鼠模型的研究发现，运动对代谢途径的影响显著，表现为运动可以改善AD小鼠的糖耐量和胰岛素敏感性，增加能量代谢效率。此外，运动还能够减少AD小鼠大脑中的淀粉样蛋白沉积，降低神经炎症水平，促进神经元的生长和突触可塑性。这些代谢和神经生物学的改善共同作用，显著提升了AD小鼠的认知功能和行为表现，通过深入了解运动如何调节这些代谢途径，科学家们希望能够开发出新的治疗策略，以延缓或预防AD的进展。近年来，运动过程中小型细胞外囊泡（extracellular vesicle, EVs）在组织间通信中的作用逐渐受到关注，这些囊泡携带蛋白质、miRNA和代谢物进入循环系统，独立于经典分泌途径实现器官间的通信，特别是人类运动释放的EVs中含有参与能量生产的蛋白质，包括缺乏经典分泌信号序列的糖酵解酶。然而，运动释放的EVs在调节代谢过程中的功能作用，尤其是在AD等疾病中的潜在益处，尚未被充分研究。

莫纳什大学的Mark A. Febbraio团队提出了四个研究目标，以探究运动训练对AD模型小鼠的代谢和认知功能的影响：首先，调查雄性APP/PS1转基因小鼠（Tg）模型是否表现出代谢功能障碍，以及自愿运动训练（voluntary exercise training, VET）是否能提供任何有益效果；其次，确定VET是否能改善APP/PS1小鼠的认知功能；再次，分析运动和静止状态下小鼠细胞外囊泡EVs的蛋白质组和miRNA谱；最后，检查来自健康供体小鼠的运动释放EVs是否能在APP/PS1Tg受体小鼠中介导VET观察到的认知和代谢益处。该团队的研究成果Extracellular vesicles contribute to the beneficial effects of exercise training in APP/PS1 mice于2025年1月4日在线发表在iScience上。

摘要图

为了探究运动训练（VET）对AD模型小鼠的代谢和认知功能的影响，研究人员进行了以下实验：雄性APP/PS1Tg小鼠和对照组（WT）小鼠被分别安置在带有两只锁定（静止）或两只解锁（运动）跑轮的笼子中，共6个月。实验结果显示，运动训练显著改善了APP/PS1Tg小鼠的REE，使其恢复到与WT小鼠相似的水平。此外，VET还减少了APP/PS1Tg小鼠的脂肪质量，增加了瘦体质量。代谢笼系统的测量结果表明，静止状态下的APP/PS1Tg小鼠的氧气消耗（VO₂）和二氧化碳产生（VCO₂）显著高于其他组，而VET使这些指标恢复正常。总能量消耗（total energy expenditure, TEE）在静止状态下的APP/PS1Tg小鼠中增加，但VET在WT小鼠中降低了TEE，并在APP/PS1Tg小鼠中显示出类似趋势。研究还发现，VET对食物摄入没有显著影响，但对体重和体成分有显著影响，运动组的APP/PS1Tg小鼠体重增加较少，脂肪质量减少，而瘦体质量增加。

图1 通过自愿的锻炼训练，可以使能量消耗恢复正常，减少体脂肪，改善代谢指标，使得雄性APP/PS1Tg小鼠的代谢参数恢复到正常水平

研究人员进一步探讨了自愿运动训练VET对APP/PS1Tg小鼠运动和认知功能的影响。结果显示，VET对小鼠的运动协调性没有显著影响，但在自发交替Y迷宫测试中，VET对短期记忆没有影响；而在巴恩斯迷宫测试中，VET显著改善了APP/PS1Tg小鼠的长期记忆，减少了找到目标孔所需的时间和错误次数。研究还发现，VET减少了APP/PS1Tg小鼠皮层中的淀粉样β蛋白（Aβ）积累，但对海马中的Aβ水平没有显著影响，并且VET还降低了APP/PS1Tg小鼠的微胶质激活水平，表明其具有抗神经炎症的作用。研究人员还评估了代谢稳态的关键标志物，发现VET提高了APP/PS1Tg小鼠的胰岛素敏感性。综合而言，VET通过减少皮层中的Aβ积累和降低神经炎症，改善了阿尔茨海默病小鼠模型的长期记忆功能，同时也改善了系统代谢标志物。

图2 自愿运动训练增强了雄性APP/PS1Tg小鼠的长期记忆力，减少了皮质Aβ的积累，降低了微胶质激活，而不会影响短期记忆或运动协调

研究人员通过尺寸排阻色谱法（size exclusion chromatography, SEC）探讨了急性跑步机运动对C57BL/6小鼠EVs的影响。他们利用SEC从运动后和静止对照小鼠的血浆中分离EVs，发现运动诱导的EVs中含有与小型EVs一致的四跨膜蛋白。实验结果显示，急性运动后EVs的浓度增加了两倍。透射电子显微镜（TEM）分析显示，SEC分离的EVs在不同组分中存在显著的非颗粒污染。为了确保EVs中没有污染的血浆蛋白和脂蛋白，研究人员进行了蛋白质印迹分析，发现运动诱导的EVs中含有CD81、HSP70和Caveolin-1等标志物，而污染物如白蛋白和ApoA1在EV-poor组分中高度富集。研究还测量了抗炎细胞因子IL-10、促炎细胞因子IL-1β和皮质酮/皮质醇的浓度，结果表明运动后血浆中的皮质酮/皮质醇水平显著升高，但在EV-rich组分中浓度较低。该结果提示，运动释放的EVs可能在调节代谢功能和认知表现中发挥重要作用，为进一步研究运动对阿尔茨海默病等疾病的潜在益处提供了基础。

图3 急性跑步机运动使C57BL/6小鼠释放表达特定蛋白质的外细胞小泡，这些小泡与小外细胞小泡的标志物相符

为了探究运动和静止状态下的EVs在货物（cargo）上的差异及其潜在的生物学功能，研究人员对C57BL/6小鼠的EVs进行了miRNA测序和蛋白质组分析。通过从约20只小鼠的血浆中分离EVs，研究发现117种miRNA，其中51种仅存在于静止EVs，35种仅存在于运动EVs，31种在两者中均有出现。蛋白质组分析显示，运动EVs中鉴定出929种蛋白质，其中84种显著高于静止EVs，且这些蛋白质涉及多个与阿尔茨海默病相关的通路，包括线粒体生物合成和整合素信号传导。整合素介导的相互作用有助于神经元对EVs的摄取，但需要进一步研究以确定运动诱导的EVs是否表现出这些整合素及其在神经元摄取中的作用。蛋白组学分析结果表明运动和静止状态下的EVs在miRNA和蛋白质货物上存在显著差异，可能在调节代谢功能和认知表现中发挥重要作用。

图4 与久坐对照组相比，运动释放的细胞外囊泡表现出独特的miRNA特征，揭示了独特的miRNA物种，可能会影响与认知功能和阿尔茨海默病病理相关的过程

图5 体力活动释放的外细胞小泡子富集了与线粒体生物合成和整合素信号相关的蛋白质，突出了与阿尔茨海默病和神经元外细胞小泡子摄取相关的潜在途径

研究人员通过鼻腔递送C57BL/6小鼠的运动诱导EVs（eEVs）和静止EVs（sEVs）到APP/PS1Tg小鼠体内，探讨其对全身能量消耗和长期记忆的影响。结果显示，eEVs显著降低了APP/PS1Tg小鼠的TEE和REE，但未改善其长期记忆或改变海马和皮层中的Aβ积累。行为测试结果表明，eEV组在转棒测试中的表现有所改善，但在其他认知测试中未见显著差异。此外，eEV组小鼠的脂肪质量增加，血糖水平升高，但胰岛素和非酯化脂肪酸（NEFAs）无显著变化。总的来说，尽管eEVs改善了APP/PS1Tg小鼠的能量代谢，但未能显著改善其认知功能或减少Aβ积累。这些结果提示，运动诱导的EVs在调节代谢功能方面具有潜力，但其对认知功能的影响仍需进一步研究。

图6 通过鼻腔输送运动释放的外细胞小囊体可以减少小鼠的休息和总能量支出，重现了自愿运动训练的代谢效果

图7 通过鼻腔输送运动释放的外细胞小囊体可以改善代谢参数，但在APP/PS1基因突变小鼠中，它们并不能提高认知能力或减少Aβ的积累

该研究揭示了运动训练通过释放细胞外囊泡（EVs）对阿尔茨海默病（AD）模型小鼠的代谢功能产生有益影响。研究发现，运动诱导的EVs能够显著改善小鼠的能量代谢，降低静息能量消耗（REE）和总能量消耗（TEE），但未能显著改善其认知功能或减少淀粉样蛋白（Aβ）的积累。此外，尽管运动诱导的EVs在调节代谢功能方面表现出潜力，但其对认知功能的影响仍需进一步研究。在后续的研究中，可深入探讨运动诱导的EVs在调节代谢和认知功能中的具体机制，特别是其在神经元摄取和信号传导中的作用。这些研究有望为开发新的AD治疗策略提供重要的科学依据，并为理解运动对神经退行性疾病的潜在益处提供新的视角。

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