组合应用NMR代谢组学和生物医学技术研究阿尔茨海默病的分子机制及其与糖尿病脑病的代谢关联

1H NMR-based metabonomics holds a potential for investigation of whole metabolic profiling of diseases, but the detailed information on the regulation of pathological development cannot be obtained. Based on our promising preliminary work, we attempt to study the metabolic changes in brain compartments during the development of Alzheimer's disease (AD), elucidate the metabolic regulatory networks in disease development, and investigate the metabolic pathway of the glutamine-glutamate-GABA cycle between the astrocytic and neuronal compartments. Furthermore, the neuronal apoptosis, gliocyte proliferation and the change of the key enzymes or proteins in the metabolic pathways will be explored by immunohistochemistry, western blot and other biomedical technologies. This comprehensive analysis facilitates the understanding of the molecular mechanism of AD and the metabolic correlation with diabetic encephalopathy. The systematic approach by combining 1H NMR-based metabonomics and biomedical technique can be applied for exploring mechanisms of cerebral metabolism, which achieves complementary advantages between the modern integrated study and the classic target research, and thereby provides a theoretical basis for early prevention and diagnosis of AD as well as identification of its new drug targets. In addition, our research proposes a novel method to investigate the metabolic mechanism and treatment of other nervous system diseases.

基于1H NMR的代谢组学可以从整体上研究疾病的代谢特征，然而疾病发生发展的确切调控途径等细节信息却无法获得。本项目拟在前期研究基础上，首先采用基于1H NMR的代谢组学技术分析阿尔茨海默病(AD)发生发展中各脑区代谢变化特征，阐明该病进展中的代谢调控网络，以及胶质细胞与神经元间的谷氨酰胺-谷氨酸-γ氨基丁酸神经递质代谢循环，然后借助免疫组化、蛋白质免疫印迹等生物医学技术检测神经元凋亡、胶质细胞增生、和代谢调控途径上的关键酶或蛋白的含量变化。综合分析，阐明AD发生发展的分子机制及其与糖尿病脑病的代谢关联。本项目将系统建立组合应用1H NMR代谢组学和生物医学技术的脑代谢机制研究方法，实现现代的整体研究与经典的靶点研究间的互补与统一，为早期预防和诊断AD，发现药物新靶点用于AD治疗提供理论基础，同时也为其它神经系统疾病的代谢机制与治疗研究提供新思路。

阿尔茨海默病（Alzheimer's disease，AD）是老年人中最常见的神经退行性疾病，然而，AD引起脑损伤的发病机理以及潜在的代谢机制尚未明确。因此，研究AD发展演化过程中的代谢变化对AD的预防、诊断和治疗都具有重要意义。核磁共振波谱是目前少数可以用作活体无损伤的检测细胞水平代谢变化的非侵入性技术，对了解多种疾病的病理生理变化以及早期诊断都具有极其重要的应用价值。.本项目组合应用基于1H NMR的代谢组学研究了两种AD模型（Aβ25-35诱导造模和APP/PS1模型）不同时期不同脑区的代谢轮廓。结果表明Aβ25-35诱导AD模型与其匹配的假手术组大鼠的代谢模式存在明显差异，并且伴随 Aβ诱导的神经炎症病程的变化出现代谢模式的变化。对1月龄，5月龄，10月龄APP/PS1模型进一步研究，发现5月龄时APP/PS1小鼠与WT小鼠代谢差异最为显著，代谢紊乱发生在学习记忆损伤之前。在海马、纹状体、皮层、下丘脑、中脑及小脑6个脑区中，受疾病模型影响最明显的是下丘脑，在5月龄开始出现代谢紊乱；在皮层中最先出现代谢紊乱，主要是能量代谢和磷酸胆碱代谢。5、10月龄时大多数脑区出现代谢逆转现象，而海马的代谢紊乱随着病程延长逐渐加剧。此外，我们还发现AD组谷氨酸脱羧酶、谷氨酰胺酶表达升高，谷氨酸合成酶表达下降。.通过本项目实施，成功地应用基于1H NMR 的代谢组学对2种AD模型进行研究，分析AD发生发展中大脑整体代谢模式，以及时间特异性和脑区特异性的代谢轮廓。本项目实现了整体代谢通路与多脑区代谢途径研究间的互补与统一，为AD的发病机制和发展演化研究探索新方法，同时也为其它疾病的病理生理学研究提供新的研究思路.