【醉翁之艺】鸢尾素通过激活STAT6以重编程小胶质细胞并预防小鼠术后认知功能障碍
时间：2026-05-05 17:09:55 热度：37.1℃ 作者：网络
术后认知功能障碍（Postoperative cognitive dysfunction, POCD）是一种老年患者常见的术后并发症，每年影响数百万患者，并可导致术后远期痴呆风险增加、生活质量下降、死亡率增加等不良临床结局。小胶质细胞作为中枢神经系统的常驻免疫细胞，在由神经炎症驱动的POCD中扮演着关键角色。然而，不同的小胶质细胞表型在炎症中发挥不同作用：经典活化的M1表型释放破坏性促炎介质，而替代活化的M2表型可吞噬细胞碎片并释放保护性抑炎因子。因此，亟需寻找能够精准调节小胶质细胞表型平衡的治疗策略以替代一刀切式的免疫抑制疗法。鸢尾素作为一种由运动诱导肌肉分泌的内源性蛋白质激素，在多种神经系统疾病中显示出防治作用，但其是否通过直接调控小胶质细胞表型来预防POCD尚不明确。
本研究通过分析老年手术患者血清样本、构建由手术创伤及LPS诱导的神经炎症小鼠模型，并结合蛋白质组学、条件性基因敲除、流式细胞术和行为学实验等技术，发现70岁以上POCD患者术前血清鸢尾素水平显著降低；系统性给予重组鸢尾素可穿透血脑屏障，靶向小胶质细胞整合素αVβ5受体，激活STAT6信号通路，将小胶质细胞从M1促炎表型重编程为M2抗炎表型，改善免疫微环境，从而保护神经元兴奋性和树突棘密度，最终有效预防小鼠术后早期认知功能障碍。本研究揭示了鸢尾素通过重编程小胶质细胞实现表型平衡的核心机制，为老年患者提供了预防POCD的极具潜力的新策略。本研究于2025年3月发表在《Brain, Behavior and Immunity》上。
研究者首先对既往RCT研究样本中老年手术患者的术前血清进行二次分析，以探究内源性鸢尾素水平与术后长期痴呆风险的联系。该队列包括39名60岁以上接受大型非心脏胸腹部手术的患者，术后第3年通过TICS-m电话问卷评估术后长期认知功能，TICS-m ≤27分诊断为痴呆。结果显示，70岁以上痴呆患者术前血清鸢尾素水平比认知正常者显著降低31%，且鸢尾素水平与年龄呈显著负相关；而在对照组中未观察到此相关性。两组患者在年龄、教育年限、BMI、术前MMSE评分、查尔森合并症指数、手术时长及围术期阿片类药物用量等方面均无显著差异。上述临床证据初步提示，内源性鸢尾素水平降低与老年患者术后长期痴呆的发生存在相关性，尤其对于70岁以上人群。
补充图1. 术后长期痴呆患者与对照组患者人口统计学特征及关键人群特征的比较。
图1A-D. 对照组与术后痴呆组患者TICS-m评分比较，对照组与术后痴呆患者术前血清鸢尾素水平与年龄的相关性分析以及两组间术前血清鸢尾素水平的定量比较。
为验证鸢尾素对手术诱导神经炎症的抑制作用，研究者采用17月龄老年小鼠行脾切除术（异氟烷麻醉，手术时长2小时），并于术后第1天取背侧海马进行蛋白质组学分析。与假手术组相比，手术组共鉴定出228个显著差异表达蛋白，其中83%上调，17%下调。GO生物学过程富集分析显示，急性炎症反应、先天免疫反应、应激反应等通路被显著激活，而长时程突触增强、长时记忆、海马发育等与认知功能相关的通路被显著抑制。蛋白质互作网络分析表明，补体C3和NF-κB1等免疫相关蛋白显著上调，急性炎症反应是最显著受影响的通路。值得注意的是，鸢尾素预处理（10 μg/kg，腹腔注射，每日2次，连续3周）可逆转78%的差异表达蛋白变化，显著抑制手术诱导的免疫通路过度激活，并增加BDNF的表达水平。这些数据表明，鸢尾素能有效抑制老年小鼠手术后的早期神经炎症反应。
图1E-I. 鸢尾素可显著抑制接受脾切除术老年小鼠背侧海马的神经炎症反应。
补充图2. 手术组与假手术组、鸢尾素预处理组与安慰剂组显著差异表达蛋白情况。
为明确鸢尾素在神经免疫调节中的内在作用，研究者对全身性Fndc5基因敲除小鼠的血清进行了蛋白质组学分析。与野生型小鼠相比，Fndc5敲除小鼠共筛选出大量差异表达蛋白。GO二级功能分类分析显示，鸢尾素缺失导致神经系统和免疫系统相关功能显著失调，涉及补体和凝血级联、FcγR介导的吞噬作用、抗原加工呈递、白细胞跨内皮迁移等通路。KEGG通路富集分析进一步确认，补体和凝血级联是受影响最显著的通路，且所有差异表达蛋白均下调，包括补体C3、C4b、C9、纤溶酶原（Plg）、甘露糖结合凝集素1（Mbl1）、C1qc以及补体衰变加速因子CD55。这些分子在机体防御感染中发挥关键作用，其表达下调与感染易感性增加密切相关。这些结果揭示了内源性鸢尾素缺乏可导致系统性免疫功能缺陷，可能解释为何术前鸢尾素水平低的老年患者更易发生术后并发症。
图2. FNDC5/Irisin基因缺失会影响全身性Fndc5-KO小鼠的神经系统/免疫系统，并抑制补体通路。
接下来，研究者验证了外源性重组鸢尾素能否穿透血脑屏障。向野生型小鼠腹腔注射FITC标记的鸢尾素，30分钟后在背侧海马检测到明显的荧光信号和蛋白条带，而对照组并未出现。在此基础上，向侧脑室内注射LPS（2 μl，1 μg/μl）建立急性神经炎症模型。行为学实验表明，LPS注射后第1天，模型小鼠在物体位置识别、新物体识别和Y迷宫实验中均表现出显著认知障碍；而鸢尾素预处理（10 μg/kg，腹腔注射，每日2次，连续1周）可显著逆转上述行为缺陷。免疫荧光染色显示，LPS组背侧海马中Iba1⁺小胶质细胞数量显著增加，鸢尾素预处理可减少小胶质细胞总数。三维形态重建和Imaris定量分析表明，LPS导致小胶质细胞总突触长度、壳层交叉数、分支点和终点均显著减少，提示小胶质细胞活化，而鸢尾素可阻止这些形态学改变。ELISA检测进一步显示，鸢尾素预处理组背侧海马中促炎因子IL-6、TNF-α、IL-1β、IL-18水平显著降低，抗炎因子IL-10水平升高。这些结果说明鸢尾素通过抑制小胶质细胞过度活化并平衡M1/M2表型型细胞因子分泌以减轻神经炎症。
补充图4. 重组鸢尾素可穿过血脑屏障（BBB）。图为野生型C57BL/6小鼠腹腔注射鸢尾素后30分钟的代表性免疫印迹结果及背侧海马鸢尾素水平的定量分析。腹腔注射的FITC -IR（绿色）或生理盐水在背侧海马区与神经元（NeuN）、细胞核（DAPI）及FNDC5共定位。
图3. 鸢尾素通过抑制小胶质细胞活化，预防LPS诱导的海马神经炎症反应。
为深入阐明鸢尾素重编程小胶质细胞表型的分子机制，作者利用流式细胞术分析了背侧海马中的免疫细胞比例。结果显示，LPS处理增加了CD11b⁺CD45low小胶质细胞和CD11b⁺CD45high巨噬细胞的数量；鸢尾素预处理使M1型（CD80⁺CD86⁺）小胶质细胞数量减少9.1倍，M2型（CD206⁺CD163⁺）小胶质细胞数量增加4.8倍。在BV2细胞系中亦获得相同结果。为进一步鉴定关键信号分子，研究者构建了CX3CR1-CreERT2::Ai9-Tdtomato小鼠，经他莫昔芬诱导后小胶质细胞特异性表达红色荧光蛋白，通过FACS分选纯化背侧海马小胶质细胞并进行蛋白质组学分析。结果显示，LPS组小胶质细胞中NF-κB1及凋亡相关蛋白显著上调；而鸢尾素预处理可逆转上述变化，并显著增加STAT6表达。免疫荧光和Western blot证实，鸢尾素阻止了LPS诱导的NF-κB p65核转位。ELISA检测显示，鸢尾素预处理组背侧海马中STAT6下游分子IL-4、IL-13和Arg1水平均显著升高。使用STAT6特异性抑制剂AS1517499（10 mg/kg，腹腔注射，第1、3、5、7天给药）可部分削弱鸢尾素对认知功能的保护作用，并减弱鸢尾素对IL-1β的抑制和对Arg-1的诱导。此外，Co-IP实验证实鸢尾素与BV2细胞中的整合素β5直接结合；siRNA敲低整合素αV或β5可阻断鸢尾素对LPS诱导的IL-1β基因表达的抑制作用。上述结果充分证明，鸢尾素通过结合小胶质细胞表面整合素αVβ5受体，激活STAT6信号通路，从而将小胶质细胞从M1促炎表型重编程为M2抗炎表型。
图4. 体内、体外实验均证明鸢尾素可将小胶质细胞从M1表型重编程为M2表型。
图5. 鸢尾素可抑制NF-κB1通路，增加STAT6表达，促进小胶质细胞从M1表型转化为M2表型。
图6. STAT6特异性抑制剂AS1517499通过抑制STAT6磷酸化来减弱鸢尾素的作用。
补充图10. 鸢尾素作用于小胶质细胞的整合素αVβ5受体发挥抗炎作用，而敲除整合素αV和整合素β5则阻断了鸢尾素的这一作用。
研究者进一步评估了鸢尾素调节免疫微环境后对神经元功能的影响。免疫荧光共定位分析显示，LPS组背侧海马中c-Fos⁺神经元（c-Fos⁺NeuN⁺/NeuN⁺）和c-Fos⁺小胶质细胞（c-Fos⁺Iba1⁺/Iba1⁺）的比例均显著增加；鸢尾素预处理可大幅度逆转这一现象。全细胞膜片钳记录显示，LPS处理导致dCA1锥体神经元对阶梯去极化电流（100-250 pA）的放电频率显著增加，提示神经元过度兴奋；而鸢尾素可将其恢复至接近正常的水平。为评估突触结构完整性，研究者向dDG区稀疏标记神经元（注射rAAV-hSyn-Cre和rAAV-EF1a-DIO-EGFP），在共聚焦显微镜下分析树突棘密度。结果显示，LPS组神经元棘密度显著降低，而鸢尾素预处理可阻止树突棘丢失。这些结果表明，鸢尾素通过改善免疫微环境，维持神经元的兴奋性稳态与突触结构的完整性。
图7. 预防性给予鸢尾素可维持海马神经元的兴奋性稳态和突触结构完整性，有效保护LPS组小鼠的认知功能。
最后，研究者在老年小鼠脾切除术模型中验证了预防性给予鸢尾素对POCD的保护效果。术前连续3周腹腔注射鸢尾素（10 μg/kg，每日2次）。术后第1天物体位置识别测试显示，手术组小鼠对位置移动物体的偏好得分显著下降，而鸢尾素预处理组表现正常；鸢尾素将手术诱导的早期认知功能障碍发生率降低了37.5%。旷场实验和高架十字迷宫实验表明，各组小鼠的运动能力和焦虑水平无显著差异。术中生理指标监测表明，鸢尾素预处理显著加快了麻醉诱导速度，并有加速麻醉苏醒的趋势；此外，鸢尾素显著减缓了麻醉手术期间的体温下降，同时增加了心率和呼吸频率。除了老年小鼠，在成年小鼠LPS+手术的双重应激模型中也观察到类似的认知保护效果。结果表明，预防性给予重组鸢尾素可有效预防术后认知功能障碍，并对术中生理指标产生有益影响。
图8. 预防性给予鸢尾素可保护老年小鼠的术后认知功能，并延缓术中体温下降。
补充图13. 鸢尾素同样可预防成年小鼠术后认知功能障碍的发生。
醉翁之艺点评
本研究通过临床样本分析-生信分析-在体动物实验-体外细胞实验-正反基因验证-相似模型对比-围术期应用潜力评估的路径系统性地揭示了鸢尾素通过激活STAT6信号通路将小胶质细胞从M1促炎表型重编程为M2抗炎表型，从而改善免疫微环境，保护神经元功能，以预防术后认知功能障碍。外源性重组鸢尾素作为一种小分子蛋白，能够穿透血脑屏障，具有良好的生物安全性，为预防老年患者POCD的发生提供了极具潜力的运动替代疗法。
与以往研究关注鸢尾素对神经元的直接作用不同，本研究强调鸢尾素对小胶质细胞和局部免疫微环境的直接调控是其预防POCD的核心机制。STAT6不仅介导小胶质细胞向M2表型转化，还直接抑制神经炎症，减弱机体对炎症刺激的反应性。值得注意的是，小胶质细胞的M1/M2二分法虽被简化，但在理解POCD进展和探索治疗策略中仍有一定价值；鸢尾素实现的是表型平衡而非广泛免疫抑制，避免了传统免疫抑制剂的临床副作用，并对术中生命体征（如体温、心率）产生积极影响，是一种具有应用前景的干预策略。未来研究应进一步解析不同类型神经元STAT6表达在鸢尾素保护认知功能中的潜在贡献，并关注不同性别的群体、优化给药方案（如开发靶向中枢的缓释纳米递送策略或通过鼻-脑通路给药），开展高质量的临床研究进一步论证其预防POCD的有效性与安全性。
