Cells | DESI-MSI空间代谢组技术：解密内源性大麻素在神经性疼痛中的作用机制

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研究背景

一般认为，内源性大麻素通过中脑导水管周围灰质（Periaqueductal Gray，PAG）、脊髓背角（dorsal horn of the spinal cord）以及背根神经节（dorsal root ganglion）的CB1受体（一种大麻素受体）发挥抗痛作用，因此内源性大麻素被认为是一种新的治疗方法。但是内源性大麻素是按需产生且代谢较快，很难对它们进行分析。因此，内源性大麻素对神经性疼痛的影响认识不清楚的。近年来，2-花生四烯酰甘油（2-arachidonoylglycerol，2-AG）被确认是一种内源性大麻素，且在脑中的含量是大麻素（anandamide）的50-200倍，而且有研究表明，水浸压力会使小鼠下丘脑（hypothalamus）、后脑（hindbrain）和中脑（midbrain）中的2-AG含量。但是2-AG在大脑或其他组织中因其他应激反应的表达和分布仍是未知的。另外，在急性和慢性疼痛的大鼠模型中，脊髓中的内源性大麻素水平有所提高。CB1受体蛋白在保留性神经损伤（spare nerve injury，SNI）大鼠模型的受伤脊髓中上调，其中部分坐骨神经结扎导致脊髓背角变性，导致异常疼痛。然而，这些研究没有涉及到2-AG的分布或者作用。因此，2-AG在SNI中的功能也是不清楚的。因此为解决这两个问题，作者使用DESI-MSI空间代谢组技术探究了2-AG在SNI小鼠神经性疼痛模型的大脑和脊髓中的分布。

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前言

2022年11月，日本浜松大学医学院矫形外科系Kenta Kurosu课题组在Cells期刊发表的题为 “Expression and Kinetics of Endogenous Cannabinoids in the Brain and Spinal Cord of a Spare Nerve Injury (SNI) Model of Neuropathic Pain” 的研究成果，通过DESI-MSI空间代谢组研究方法，研究了神经疼痛模型中内源性大麻素2-AG在脑及腰脊髓中的分布，为深入研究内源性大麻素发挥抗痛作用的机制提供了理论依据。

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研究思路

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研究方法

研究材料

（1）假手术组；

（2）SNI模型组；

（3）每组分别用9只小鼠在建模时建立基线，用于行为学研究；后分别在第3、7、21天时，每组取3只小鼠进行空间代谢组实验。

研究技术

（1） 行为学测试；

（2） DESI-MSI空间代谢组技术；

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研究结果

1、SNI造模对小鼠逃跑行为的影响

首先作者考察了SNI模型对小鼠逃跑行为的影响，发现SNI组显示出较低的逃跑行为阈值（图1）。

 图1 von Frey 行为测试的时间序列结果

2、SNI小鼠下丘脑中2-AG的分布

然后作者考察了术后3、7、21天时，小鼠脑中的2-AG水平变化，发现不仅SNI组全脑中的2-AG水平要显著低于假手术组，在下丘脑中也存在类似趋势（图2）。

图2 2-AG在SNI小鼠大脑横截面丘脑水平的分布

3、SNI小鼠中脑导水管周围灰质中2-AG的分布

随后作者又考察了中脑导水管周围灰质（Periaqueductal Gray，PAG）中2-AG的相应变化，结果发现，SNI组在术后第3天、第7天时中脑、上丘（superior colliculus）、网状结构（reticular formation）以及PAG中的2-AG水平显著低于假手术组（图3）。而到了第21天时，两组的2-AG水平在中脑和PAG中没有差异。

图3 在小鼠大脑的PAG区域检测2-AG

4、SNI小鼠腰脊髓中2-AG的分布

在考察完2-AG在脑中的分布差异后，作者对腰部脊髓的2-AG水平进行了研究，发现，SNI小鼠的2-AG水平在术后第3、第7天时出现了显著增加，而在第21天时，与假手术组相比，SNI小鼠的2-AG无显著变化。

图4 2-AG在腰部脊髓横截面上的分布

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研究结论

这项研究显示，与假手术组相比，SNI小鼠在受伤后的急性和亚急性阶段表现出2-AG含量的减少，特别是在下丘脑和PAG。这一发现表明，2-AG与神经性疼痛条件下较低的疼痛阈值有关。相反，2-AG在脊髓髓质中表达增加，这表明了2-AG在疼痛控制中的重要性。因此，2-AG可能是治疗神经性疼痛的一个潜在目标。

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本文思路简单，而且只用DESI-MSI空间代谢组技术考察了SNI模型中，脑及腰脊髓的2-AG分布。其实可以做更多的事情，比如可以综合比较神经疼痛与否状态下，脑及腰脊髓中更多代谢物的变化，进一步研究2-AG这种内源性大麻素的产生机制以及抗痛机制。本研究的亮点在于，作者在进行DESI-MSI时，将2-AG标品涂抹于玻片上，以确保在样本中检测到了2-AG。在这方面，鹿明空间代谢组也正在开发更进一步的质控与检测体系，并获得了上海市“科技创新行动计划”的立项和资助。鹿明生物希望与关注空间代谢组技术的同仁、学者、专家一起推动空间多组学产品线向“严”“精”“深”方向迈进。

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项目实测结果

可实现定性代谢物数量：1000-3000个代谢物

无偏好性检测代谢物：:70%为700Da以下的小分子物质，30%为脂质类物质，更加适合代谢组学研究方向；

1. 参考文献 

Kurosu K, Islam A, Sato T, et al. Expression and Kinetics of Endogenous Cannabinoids in the Brain and Spinal Cord of a Spare Nerve Injury (SNI) Model of Neuropathic Pain[J]. Cells, 2022, 11(24): 4130. DOI: 10.3390/cells11244130.