酮体代谢调控巨噬/小胶质细胞极化对脊髓损伤脱髓鞘与再髓鞘化的保护机制研究

Alleviating demyelination and promoting remyelination play an important role in the recovery of clinically relevant spinal cord injury (SCI). Recent studies have shown that ketogenic metabolism could induce microglia to differentiate into M2 phenotype, while the polarization of M1/M2 type affects remyelination after SCI. Our previous studies have demonstrated that neuroprotective mechanism of ketogenic metabolism after acute SCI is to inhibit type I histone deacetylase and reduce oxidative stress. Therefore, it is necessary to further explore the mechanism of ketogenic metabolism on reduce demyelination and promote remyelination. Here we propose a theoretical hypothesis, i.e. ketogenic metabolism modulates macrophage/microglia polarization, reduces oligodendrocytes apoptosis and demyelination, promotes the activation and differentiation of oligodendrocyte precursor cells (OPCs) and remyelination after SCI. The present proposal aims to study the characteristics of demyelination and remyelination after cervical spinal cord hemi-contusion injury in rats by electrophysiological, behavioral assessment and anterograde tracing; to investigate the effects of ketogenic metabolism on polarization of macrophage/microglia and demyelination after acute SCI in rats; to assess the effect of ketone body and M1/M2 microglia on the differentiation of OPCs; to evaluate the effects of ketogenic metabolism on remyelination and neurological recovery after SCI. This study will provide new therapeutic targets for ketogenic metabolism interventions.

减少脱髓鞘和促进再髓鞘化对于临床相关的脊髓损伤（SCI）的恢复有重要意义。近期研究发现酮体代谢可增加小胶质细胞分化成M2亚型，而M1/M2型的极化影响SCI后的再髓鞘化。我们前期研究证明酮体代谢对急性SCI的神经保护作用机制是抑制I型组蛋白去乙酰化酶和减少氧化应激，需要进一步探索对减少脱髓鞘和促进再髓鞘化的保护机制。因此我们提出理论假设：酮体代谢通过调控巨噬/小胶质细胞的极化，减少SCI后少突胶质细胞凋亡和脱髓鞘，促进少突胶质前体细胞（OPCs）的激活与分化、再髓鞘化。本课题拟采用电生理、行为学及顺行示踪技术探讨大鼠颈脊髓半侧挫伤后脱髓鞘与再髓鞘化的特点；探讨酮体代谢对大鼠急性SCI巨噬/小胶质细胞极化和脱髓鞘的影响；研究在酮体刺激下M1/M2亚型小胶质细胞对OPCs分化的影响；评价酮体代谢对SCI再髓鞘化与神经功能恢复的作用。为酮体代谢干预疗法发展新的治疗靶点。

本项目主要阐明酮体代谢对脊髓损伤（SCI）后巨噬/小胶质细胞极化和再髓鞘化的作用。我们按照建立SCI动物模型-评价酮体代谢对SCI的神经保护功能-探讨酮体代谢在SCI后的再髓鞘化机制的路线进行研究。主要成果包括：1、建立不同损伤程度的小鼠半侧颈脊髓损伤模型，证明小鼠颈脊髓半侧损伤模型可行且损伤程度可分级，成果发表于BEHAV BRAIN RES；建立食蟹猴颈脊髓半侧挫伤损伤模型，并建立灵长类SCI模型的生物力学、行为学、组织学和影像学评价系统，成果发表于J. Neurotraum；同时分析不同挫伤模式对颈脊髓损伤在行为学、组织学上、电生理结果的差异，此部分结果已在投稿中；2、课题组采用生物信息学的方法进一步探讨颈脊髓挫伤的病理学机制，进行对啮齿类颈脊髓半侧挫伤模型后的多组学及相关通路的分析，发现脂质代谢与溶酶体相关的蛋白是SCI治疗的新的靶点，此部分研究分别已发表于FASEB J和FRONT IMMUNOL；3、开展了研究酮体代谢对SCI后巨噬/小胶质细胞极化，再髓鞘化和功能恢复的影响的实验。观察到生酮饮食（KD）及正常饮食配合1, 3-丁二醇（BD）灌胃均可提高大鼠血清酮体水平，证明酮体代谢可抑制巨噬/小胶质细胞向M1分化，促进向M2分化，行为学及组织学结果提示酮体代谢可以促进损伤周围组织的再髓鞘化及肢体功能的恢复，同时通过蛋白组学测序及生信分析提示酮体代谢干预下的差异蛋白在溶酶体及脂质代谢相关通路富集，此部分结果已发表于FRONT NEUROSCI，部分数据仍在分析及设计下一步实验探讨酮体代谢对SCI后脂质代谢的作用机制；4、本课题探讨雷帕霉素对SCI后的神经保护作用，雷帕霉素干预促进了受伤后脊髓组织的自噬，并减少了胶质瘢痕，增加了OLs的数量并明显改善了运动功能。本研究表明雷帕霉素可以增强脊髓损伤后的自噬作用，保护神经组织，并促进施万细胞介导的再髓鞘化和运动功能的恢复，并减少脊髓损伤后的胶质瘢痕。本研究结果已发表于Front Mol Neurosci。课题组将利用本课题结余经费优化或深入对SCI及酮体代谢的研究，拟再发表SCI文章2-3篇。综上，本课题的开展为SCI的基础研究提供啮齿类及灵长类动物模型基础，对酮体代谢对SCI的修复机制提供了证据，对开展生酮饮食在SCI的临床前研究提供理论基础。