下丘脑弓状核（ARC）在调节食欲、体重和能量中起核心作用。AgRP神经元是其中一组特异性表达Agouti（刺鼠关联蛋白）的神经元，主要发挥刺激食欲等功能，同时能够感应胰岛素信号，协助控制血糖并抑制饥饿。研究指出，肥胖等代谢疾病与ARC中神经元的功能失调密切相关，但其具体机制尚未完全明了。
神经元周围网（Perineuronal net, PNN）是一种包裹神经元的“浆糊状”的细胞外基质（ECM）亚型，由于外周组织内ECM的病理性增强和重塑被定义为“纤维化”，ARC中PNN过度沉积和重塑的现象也被称为“神经纤维化”。浆糊状的PNN直接影响AgRP的功能，尤其对胰岛素信号的反应能力降低，形成“胰岛素抵抗”，这可能是肥胖相关代谢疾病的重要病理机制之一。
团队和文章信息
2024年9月18日，澳大利亚墨尔本大学的Garron T. Dodd团队在《Nature》（IF: 50.5）发表了题为Pathogenic hypothalamic extracellular matrix promotes metabolic disease的论文。本文揭示了下丘脑弓状核中神经纤维化在肥胖和胰岛素抵抗中的关键作用，强调了靶向该纤维化的治疗潜力。
通过紫藤花凝集素（Wisteria floribunda lectin, WFA）染色，研究发现高脂高糖饮食（HFHS）的小鼠在ARC区域的PNN明显增厚，与对照组相比，肥胖小鼠的PNN面积和强度显著增加。此外，PNN增生与肥胖进展和胰岛素抵抗的发生呈正相关。这一结果表明ARC区域PNN的病理性重塑是肥胖诱导代谢疾病的重要特征。
研究团队开发一种名为“PNN Tracker”的新型成像技术（PNN追踪，一种利用立体定位注射生物素化WFA来脉冲和标记特定大脑区域中PNN的脉冲追踪方法），PNN追踪展示了PNN在肥胖条件下的周转减缓。结果显示，正常饮食的小鼠中PNN的周转周期约为5周，而肥胖小鼠的PNN更新速度显著放缓，提示PNN的降解障碍是导致ARC区域神经纤维化加剧的主要原因。
通过酶解PNN，研究证实了消除ARC区域神经纤维化能显著改善肥胖小鼠的代谢功能。软骨素酶ABC（chABC）降解PNN后，小鼠的体重、脂肪含量显著下降，能量消耗和胰岛素敏感性也得到了提升。这些结果表明，PNN的病理性增生阻碍了正常的代谢调控，分解PNN可以有效逆转肥胖引发的代谢紊乱。
通过胰岛素-FITC标记实验，研究发现肥胖小鼠中胰岛素难以渗透入ARC神经元，而正常小鼠则无此问题。通过酶解PNN，胰岛素的进入和信号传导得以恢复，证明神经纤维化显著阻碍了ARC区域的胰岛素敏感性，进一步加剧了代谢疾病的发生。
为了探索靶向神经纤维化的临床治疗潜力，研究人员向小鼠鼻内递送神经纤维化抑制剂——氟胺，以进行靶向下丘脑递送。氟胺的生物分布评估显示其在ARC内大量积累。饮食诱导肥胖（DIO）小鼠鼻内氟胺给药14天可减轻ARC神经纤维化，并实现与脑室内给药相似的代谢改善，揭示了靶向神经纤维化治疗代谢性疾病的治疗能力和效用。
高脂高糖饮食对于ECM重塑的意义
研究通过HFHS小鼠证实，肥胖促进ARC内aggrecan、versican、neurocan和brevican等主要细胞外基质成分增加，其中聚集蛋白聚糖（aggrecan）是介导神经纤维化的主要成分。
神经纤维化对于胰岛素抵抗的意义
胰岛素与PNN中硫酸化GAGs（糖胺聚糖）的负电荷结合增加，导致胰岛素抵抗；PNN也可以通过与细胞表面受体相互作用影响细胞内信号通路，参与调节胰岛素的细胞内信号。
研究局限性
未来需要进一步研究PNN重塑的分子机制和其对神经元功能调控的具体作用。
TO US
本研究为理解肥胖和代谢疾病中的胰岛素信号传导障碍提供了新线索，也为靶向PNN来恢复胰岛素敏感性提出了新的治疗思路。
Q & A
Q1：肥胖使AgRP神经元具体发生了什么变化？
A：在肥胖中，AgRP神经元表现出持续的兴奋性，驱动过度进食和增加脂肪量，这种过度活跃与放电频率和静息膜电位的增加有关。同时，其周围的PNN增生，伴随着WFA和aggrecan染色的增强，而神经元数量没有变化。这些结果表明，代谢性疾病发展过程中AgRP神经元的周围会出现神经纤维化。
Q2：研究开发“PNN Tracker”的具体实验方法？
A：PNN Tracker是一种用于追踪神经元周围网（PNN）更新的实验方法。首先，通过立体定位注射生物素化的WFA（WFA-biotin）标记目标脑区的PNN。随后，在体内经过一段时间的孵育后，提取大脑组织，并用WFA-FITC共染，检测注射时标记的PNN与当前的总PNN表达情况。为了验证方法的准确性，使用软骨素酶ABC（chABC）消化PNN，证实了WFA-biotin仅标记注射时存在的PNN成分。该方法可靠地追踪了PNN在体内的更新速率。
代谢疾病期间脑中的胰岛素抵抗
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07922-y
编辑：吴欣阳
排版：bonbon
校对：倪铭蔚
审核：曹秋晨
转载须知：
本文为枢界centrangle原创文献阅读笔记
如需转载请标明来源
扫码加入群聊，尽享文献全文
