基于质谱空间代谢组学方法研究帕金森病小鼠脑内神经细胞损伤的动态代谢特征

Nerve cell damage is the main pathological feature of Parkinson's disease, but the formation mechanism of nerve cell damage in the brain is still unclear. In-situ quantitative analysis of metabolites in the brain and elucidation of metabolic signatures of nerve cell damage in the brain are important for improving the understanding, diagnosis and treatment of Parkinson's disease. This project was proposed to develop a spatial metabolomics method based on the laser microdissection combined with nano-liquid chromatography-mass spectrometry. The major procedures include the in situ capture of a small amount of nerve cell in the brain, intracellular metabolites extraction, and nano-liquid chromatography-isotope dilution high resolution tandem mass spectrometry analysis, enabling highly sensitive and accurate measurement of the spatial distribution and content of metabolites and their metabolic pathways. Meanwhile, we found that the development of early Parkinson's disease is related to the tryptophan pathway, histidine pathway, etc., but the mechanism is unclear. By using the mouse model of Parkinson's disease, the dynamic changes of metabolites and their metabolic pathways related to nerve cell damage in the brain were elucidated, and the results will be furtherly verified. This project is beneficial to solve the problem of in situ detection of trace metabolites in the brain, and offer a new method for resolving the metabolic mechanism of in situ neural cells, providing new ideas for early diagnosis and treatment of Parkinson's disease.

神经细胞损伤是帕金森病的主要病理特征，但脑内神经细胞损伤的机制目前仍不清楚。实现脑内代谢物组的原位精准分析以及阐明脑内神经细胞损伤的代谢特征，对于提高帕金森病的认识、诊断和治疗具有极其重要的意义。本项目拟发展基于激光显微切割-纳升液相色谱-质谱联用技术的空间代谢组学方法，该方法原位捕获少量脑内神经细胞，提取细胞内代谢物，结合纳升液相色谱-同位素稀释高分辨串联质谱技术，实现高灵敏度的、精准的测量代谢物及其代谢通路的空间分布和含量。同时，我们发现帕金森病的早期症状与色氨酸代谢通路、组氨酸代谢通路等有关，但机制不详。通过帕金森病小鼠模型，阐明脑内神经细胞损伤相关的代谢物及其代谢通路的动态变化规律，并进行生物学验证。该研究有利于解决脑内微量代谢物原位检测的难题，为解析原位神经细胞的代谢行为、机制等提供了新方法，为帕金森病早期诊断和治疗提供新思路。

帕金森病是全世界第二大常见的中枢神经系统退行性疾病。预计到2050年，中国帕金森病患者将达到800万人，占全世界该病患的一半以上，给患者的家庭和社会带来极大的负担。帕金森病病理变化为中脑黑质神经细胞以及多巴胺能神经元的损伤，进而导致小分子代谢物多巴胺含量显著降低而出现静止性震颤、肌肉僵直、运动迟缓等症状。有研究发现，遗传因素、环境因素、氧化压力以及衰老都与病理进程相关，但是导致脑内神经细胞损伤的代谢机制目前仍不清楚。该项目发展了激光显微切割和液相色谱-质谱联用技术，建立高灵敏度、高重复性、高准确性的定量空间代谢组学方法对少量脑神经细胞中的代谢物进行分析。该空间代谢组学方法具有空间分辨率高、灵敏度高、定量精确、背景噪音低、线性范围宽等特点。空间代谢组学方法主要包括脑组织上神经细胞获取，微量样品提取，液相色谱-质谱方法的条件优化，质谱数据处理，以及脑空间代谢组学数据库建立等。我们构建了帕金森病细胞与小鼠模型，采用Leica CM 1900冰冻切片机分别制作中脑黑质的三层冰冻切片，观察多巴胺能神经元的空间分布与损伤情况，以及小鼠不同脑组织区域分布的代谢物丰度的差异性分析。 我们通过结合激光显微切割技术和衍生化策略的空间代谢组学方法，具有较高的灵敏度、准确度和精密度，发现了在帕金森病小鼠模型上解析脑内神经细胞损伤过程中代谢物及其代谢通路的变化，阐明脑内神经细胞损伤发生发展的原位动态代谢特征以及潜在的生物标志物。该项目所建立的空间代谢组学方法不仅可以用于帕金森病研究，还可用于阿尔兹海默病、抑郁症等其他脑部疾病的研究。该项目研究成果将有利于帕金森病生物标志物的发现和治疗靶标的深入研究，因此，具有重要的学术意义和临床应用价值。