空间代谢组 | IF=13高分发表帕金森运动障碍大脑组织切片代谢物空间分布研究

自从L-3,4-二羟基苯丙氨酸（L-DOPA）用于帕金森病(PD)的治疗以来，它目前仍然是缓解帕金森症状最有效的治疗方法。虽然在帕金森病的早期非常有效，但是长期的治疗会导致不自主运动异常或L-DOPA诱导的运动障碍（LID），其病理生理学尚不清楚。

 MSI技术可以检测单个组织切片中的化合物和代谢物，因此在神经科学领域确立了该技术的巨大潜力。

研究者们使用MALDI-MSI绘制了运动障碍和非运动障碍的灵长类动物大脑中L-DOPA和单胺能途径的分布图。结果表明，L-DOPA引起的运动障碍与整个大脑中L-DOPA代谢的失调有关。在L-DOPA治疗过程中，纹状体外的大脑区域无法调节多巴胺的形成，这导致了多巴胺甚至L-DOPA本身在大脑中广泛调节神经元信号的潜力，从而导致了不必要的副作用。

各组动物组织切片中的DA（多巴胺）分布情况

MALDI-MS图像显示，由于多巴胺能神经元的退化，DA水平降低，导致MPTP暴露后，壳核（Put）和尾状核（Cd）的末端丢失，这是该模型预期的变化。未经处理的对照组DA在整个Cd和Put中的含量都很高，分布相对均匀（图1A）。在MPTP暴露之后，剩余的DA大部分位于Put的背部部分，圆形斑块显示出整个纹状体中有高水平的DA分布。对于non-LID和LID组，也观察到了类似的模式，尽管LID组在Put中显示出较少的DA斑块（图1B）。对照组中Cd和Put的DA明显高于其他组（图1C）。

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图1.基底神经节结构中多巴胺的组织分布及局部定量

（A）组织切片中，DA在基底神经节结构中的分布为0 ~ 100%的最大强度；（B）为0 ~ 20%的最大强度；（C）DA的区域量化；

non-LID和LID之间的神经递质和代谢物改变

在18个脑区对non-LID和LID动物的单胺代谢产物进行了彻底的比较(图2A)。与non-LID组相比，在所有18个脑区，LID组的L-DOPA和3-OMD均显著升高(图2,B和C)。除了Cd和Put区域DA增加的趋势不显著外，LID组其他所有脑区的DA均显著升高。

在LID组中，DA的儿茶酚-O-甲基转移酶(COMT)代谢物3-MT在13个脑区显著升高。单胺氧化酶(MAO)的代谢物DOPAC在LID组的大部分分析区域都有升高的趋势，但仅在隐窝中显著升高。这些结果表明，LID中多余的DA通过COMT优先代谢为3-MT。值得注意的是，在代谢途径早期发生的代谢产物l-DOPA、3-OMD、DA和3-MT变化最大，而终末代谢产物HVA变化不明显(图2)。

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图2.non-LID vs. LID组中代谢物的区域变化

（A）4mm的猕猴脑组织切片，脑区域划分；（B） non-LID和LID之间根据log₂FC绘制的区域热图；（C）non-LID和LID组中代谢物的区域定量。

LID中L-DOPA的增加与DA和3-OMD浓度升高有关

为了了解non-LID和LID脑中L-DOPA的变化，研究者们分析了L-DOPA及其两种代谢产物3-OMD和DA之间的关系（LR分析），其代谢产物的水平与其前体（L-DOPA）相关。

对于COMT代谢物3-OMD，LID组中的所有区域都有显着的线性关系（图3A），在non-LID组中，Cd，GPe，Put，StT和皮质区域存在显着的线性关系（Ctx，图3）。在这些脑部结构中，发现非LID组的1-DOPA水平升高，3-OMD形成率降低，斜率降低（0.26至0.33）。

在L-DOPA与DA的关系上，除Cd和Put以外，LID组中的所有研究区域都有显着的线性关系，而Cd和Put是L-DOPA的主要受体区域（图3B）。

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图3.non-LID中L-DOPA与3-OMD或DA的相关关系

(A) 3-OMD与L-DOPA的含量变化关系；(B)DA含量随L-DOPA变化的关系；

5-HT和DA在纹状体和海马中的定位

5-羟色胺能神经元可以摄取外源性的L-DOPA，合成DA，并作为一种假的神经递质释放，由于缺乏有效的再摄取能力，导致细胞外DA波动，这是基于临床前和临床数据解释LID最令人信服的假说之一。因此，作者们继续研究了5-HT和DA的定位，以评估纹状体结构、Cd和Put以及海马体中5-HT神经元中DA的潜在形成过程。结果发现在Put中5-HT的含量很低(图4A)，其定位与DA在non-LID或LID中的分布没有相关性。

在对照组动物中，作者发现5-HT显著存在于海马分子层(CAml)、齿状回(HDG)门区以及CA3和CA1的辐射层(CArd)中(图4B)。DA虽然具有已知的生理功能，但在对照组动物的海马中DA丰度较低，主要分布于齿状回分子层和沿齿状回颗粒层表面的HDG外层。然而，在LID动物中，DA在海马中的分布比对照组更广泛，在整个CAml和HDG中呈现高丰度分布，并与5-HT神经元重叠，表明在LID中发生了DA移位。相比之下，non-LID动物表现出非常低的多巴胺丰度，与特定的海马层无关。

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图4.5-HT、DA、NE在基底神经节和海马中的定位比较

（A）尼氏染色和MALDI-MSI显示的基底神经节结构，横向分辨率为50μm，比例尺5mm；（B）尼氏染色和MALDI-MSI显示的基底神经节结构，横向分辨率为80μm，比例尺2mm。

DA，5-HT和NE在不同大脑皮层区域的分布模式

高阶脑功能在大脑皮层中处理，并由单胺能传递调节。作者研究了初级运动皮层（PrG）中单胺能的分布，该区域是执行和控制运动的关键区域，在颞回（TG）中也参与了感觉处理（图5A）。单胺能神经元以层状特异性支配皮层区域，图中观察到所有三种神经递质的层流分布（图5B）。

NE在整个PrG中具有均匀的分布，但是在所有三个状态中在外层中均略高。在TG中，三组DA的分布相似，在外层较高，在中层较低，在深层适中（图5C）。

DA的层流分布分为三层进行相对定量，即外层，中间层和内层，分别包含皮质层I和II，III和IV，V和VI（图5D）。除了PrG的外层外，所有层的LID中DA的丰度都显著提高，尽管这一层与其他层表现出相似的趋势（图5E）。在整个PrG，脑岛和TG中，外层始终显示出最高的DA水平（图5E）。

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图５.整个皮层区域和分层的DA图谱

（A）尼氏染色冠状组织切片，显示了分析的皮层区域的位置；（B）PrG和（C）TG的MALDI-MSI图像；横向分辨率50mm；比例尺1mm；（D）尼氏染色的皮质部分覆盖有DA分布，说明了所分析的皮质的三层；（E）在PrG，Ins和TG中，外层、中层和深层皮质层中DA的相对定量.