重度抑郁障碍(major depressive disorder,MDD)作为全球范围内致残的主要原因,其临床表现极具特征性,不仅涉及诸如体力疲乏、体重减轻及食欲减退等生理症状,还深刻影响患者的心理状态与日常功能。其中,失眠作为MDD的一个标志性症状,普遍存在于患者群体中,同时,MDD还伴随着动机缺失、睡眠障碍、认知功能障碍以及情感层面的内疚感等复杂情绪症状。这些综合表现共同构成了MDD的多维性挑战,对个体生活质量造成严重影响
[1]。随着社会节奏加快与生活压力的增加,MDD的发病率正呈现不断攀升的趋势。据世界卫生组织发布的最新数据,从全球疾病负担视角来看,MDD已跃居为全球第四大疾病负担源,并预测至2030年,其可能进一步攀升至首位,成为全球最为沉重的疾病负担
[2,3]。关于MDD的治疗,传统的给药方法包括口服药物、注射等,但这些方法可能存在局限性,如患者依从性、药物副作用、多数精神类药物无法到达血脑屏障等
[4]。因此,探索无创给药方法成为了一个研究热点。无创给药方法,如经颅磁刺激、经颅直流电刺激和鼻喷药物等,具有操作简便、患者接受度高、副作用小等优点。在这些无创给药方法中,鼻喷药物因其直接作用于大脑特定区域、起效快速且易于被患者接受而受到关注。鼻腔给药可绕过血脑屏障,迅速将治疗药物从鼻黏膜经嗅束传递到脑
[5,6]。这种方法避免了口服药物可能带来的全身性副作用,同时提高了药物的靶向性和生物利用度。
外泌体(exosome,EXO)是细胞外囊泡,直径为40~150 nm,含有蛋白质、脂类、mRNA和microRNA(miRNA)等多种类生物活性物质
[7],其中最重要的生物活性物质是核酸,特别是非编码RNA如miRNA
[8]。在大脑中,它们参与突触可塑性、神经元应激反应、细胞间通讯和神经发生等过程。此外,由于EXO可以穿过血脑屏障,因此它们可以作为神经功能障碍的可用生物标志物
[9]。最新研究表明EXO miRNA通过参与MDD的下丘脑-垂体-肾上腺轴以及脑源性神经营养因子、免疫炎症反应、Wnt/β-catenin 等信号通路的调节,调控抑郁的发生发展,显示其可能成为MDD诊断治疗的潜在生物活性物
[10]。本研究采用鼻腔吸入途径递送EXO,旨在增强EXO对抑郁症的治疗效果,进而为EXO经鼻给药作为抑郁症创新治疗策略的基础实验探索提供实验依据。
1 材料与方法
1.1 材料
1.1.1 实验动物
本研究选用SPF级健康雄性C57BL/6J小鼠,共计24只。鼠龄均为8周,体重范围严格控制在(24±2) g之间,所有实验动物均购自湖南斯莱克景达实验动物有限公司,动物使用许可编号为:HYLL-2023-026。实验动物的饲养环境严格遵循标准化条件,维持室内温度于23~25 ℃之间,相对湿度保持在50%~60%的适宜范围内,同时确保12 h光照与12 h黑暗交替的昼夜节律,以保障动物的正常生理节律。实验期间,小鼠享有自由饮水与摄食的权利。本研究严格遵循动物福利伦理原则,所有实验操作均已获得海南医科大学实验动物福利伦理委员会的正式批准,确保实验过程符合伦理标准。
1.1.2 主要试剂与仪器
主要仪器:自动多功能酶标仪(Thermo Fisher BioTek-Epoch 2,美国);透射电镜(日立HT7800,中国);纳米颗粒跟踪分析仪(Particle Metrix,德国);荧光显微镜(型号:BX51+DP72,Olympus 日本);冰冻切片机(达科公司,中国);行为学实验系统(淮北正华,中国);显影仪(TANON 5200Multi,中国)。
主要试剂:PKH26(索莱宝,中国北京);胎牛血清(BI,澳洲);PBS、DMEM低糖培养基、胶原酶、胰酶、4%多聚甲醛、DAPI、BCA试剂盒、山羊抗兔抗体(BL003A)等购自中国白鲨公司;注射10%的水合氯醛来自海医生化教研室;OCT包埋剂(SAKURA,日本);抗体CD19(11-0199-42,Thermo Fisher Scientific)、CD105(17-1057-42,Thermo Fisher Scientific)、CD44(17-0441-82,Thermo Fisher Scientific)和CD11b(11-0118-42,Thermo Fisher Scientific);抗体Alix(67381-1-Ig,Proteintech)、TSG101(67381-1-Ig,Proteintech)、CD63(25682-1-AP,Proteintech);ELISA试剂盒[海马5-羟色胺(5-HT)、多巴胺(DA)、去甲肾上腺素(NE)]购自武汉科鹿生物技术有限公司。
1.2 方法
1.2.1 分组和造模
24只8周龄SPF级健康雄性C57BL/6J小鼠经适应性喂养2周后,随机分为对照组(PBS)、模型组(CMS)和实验组(EXO+CMS),每组8只,使用慢型束缚应激法
[11]建立抑郁模型,具体操作为在15 mL离心管的瓶身以及瓶底上钻出直径约2 cm的小孔,总共不少于18 个,保证空气畅通,将小鼠头朝瓶底放入瓶子中盖上盖子,每天束缚时间为早上9时到下午5时,总共8 h,束缚期间断水断粮,连续束缚21 d后对小鼠进行行为学检测是否产生抑郁行为。正常组8只不进行束缚处理。
1.2.2 ADMSCs的分离培养
人脂肪间充质干细胞(adipose derived mesenchymal stem cells,ADMSCs)来源于在无菌条件下从医院取得的健康女性抽脂手术的脂肪,取材后在无菌条件下静置30 min等待分层。分层后,取6 mL中间层脂肪组织置于15 mL EP管内,加入2 mL PBS, 2.5 mg Ⅰ型胶原酶,设置恒温摇床120 r/min,37 ℃,消化60 min,至组织成糜状。加入2 mL DMEM低糖培养基,该培养基含有10%胎牛血清和1%青霉素/链霉素。设置1 200 r/min,离心10 min,弃上层液体,加适量培养基重悬底部沉淀。重复1次,用70 μm滤器过滤。补充培养基至4 mL,转移到T25细胞培养瓶中,37 ℃,5% CO2培养。培养24 h后细胞贴壁,换液,48 h传代至P1。本实验严格遵循人体组织科学研究伦理原则,所有操作均已获得海南医科大学伦理委员会的正式批准,项目编号为:HYLL-2023-026,确保实验过程符合伦理标准。
1.2.3 ADMSCs流式分选
取T25瓶P3代ADMSCs,待密度长至80%,胰酶(BL512A,Biosharp)消化收集细胞。加2 mL培养基制备成细胞悬液,进行细胞计数,每管加入5×104个细胞。加入抗体CD19、CD105、CD44和CD11b,37 ℃孵育1 h后,用流式细胞仪检测细胞表面蛋白。
1.2.4 ADMSCs‑EXO的提取及纯化
从ADMSCs的培养上清液中提取EXO。在此过程中,首先用PBS洗涤ADMSCs 2次,加入无血清培养基,在37 °C和5% CO2下培养细胞72 h,收集上清液。EXO被通过超速超离法分离。首先,将样品依次以300、2 000、10 000×g的离心力各离心10 min以除去细胞碎片。然后,将上清液通过0.22 μm过滤器后转移至超滤管中,以5 000×g,4 ℃,离心30 min。取上层浓缩液转移到超离管中(100 000×g,4 ℃,70 min离心)。弃上清,所得沉淀由EXO组成,使用无菌PBS中稀释并储存在-80 ℃直至使用。
1.2.5 EXO的鉴定‑NTA检测
采用纳米颗粒跟踪分析仪(nanoparticle tracking analysis,NTA)检测EXO浓度及粒径大小,采用Zetaview对每个颗粒的布朗运动都将进行追踪及分析。
1.2.6 透射电镜鉴定EXO
将待测EXO溶液于12 000 r/min,4 ℃,10 min离心,取上清,然后将其配置成1∶10 000的EXO稀释液,正滴覆盖铜网,将其置于烤灯下烤制半干。使用1%磷钨酸染色70 s。用滤纸吸取染液后,将铜网继续置于滤纸烤灯烤5 min。染色完毕,电镜观察检测,电压设置为60 kV。
1.2.7 免疫印迹分析(Western blot)
对小鼠实施麻醉后,以生理盐水进行灌注,随后摘取海马组织。组织经匀浆及裂解处理,利用高速离心机进行离心,以提取上清液。制备样品后,将蛋白质样品加载至SDS聚丙烯酰胺凝胶中,通过电泳实现分离,并电转移至NC膜上。接着,采用5%脱脂牛奶于室温条件下对NC膜进行2 h的封闭处理。之后,将NC膜浸入一抗稀释液中,于4 °C环境下孵育过夜。次日,使用相应的二抗稀释液在室温下继续孵育2 h。最终,利用ECL超灵敏化学发光检测试剂盒,在全自动化学发光图像分析仪上完成显影。
1.2.8 PKH26标记ADMSCs‑EXO
避光操作,用0.5 mL Diluent C重悬EXO,吹打混匀。5 μL PKH26染色液加入0.5 mL Diluent C中混匀,再加入到EXO悬液中,立即吹打混匀。室温孵育5 min,间或吹打,加约9 mL无血清培养基终止染色,孵育1 min。100 000×g,4 ℃离心70 min,弃上清,EXO重悬于3 mL无血清培养基,再次同条件离心。重复上一步离心后,重悬于3 mL无血清培养基,吹打去余色,再同条件离心。(可选步骤:再次离心去上清,视情况省略。最终用200 μL PBS重悬EXO,储存于-80 ℃。)
1.2.9 EXO滴鼻
对正常小鼠连续3 d鼻腔滴入PKH-26荧光标记的EXO,最后1次滴入后1 h取小鼠脑组织进行切片。CMS+EXO组动物经双侧鼻孔滴入EXO液,每次2 μL(含EXO 1×108颗);PBS组动物滴入等量 PBS。每天1次,1周连续给药5次,休息2 d,持续8周。
1.2.10 旷场实验(open‑field test,OFT)
本研究采用特定设计的反应箱为实验装置,该箱体高度介于25~30 cm,底部边长为50 cm,内壁涂以白色以增强光线反射。箱体底面被均匀划分为25个小方格,以便于后续数据分析。在反应箱正上方约2 m处架设1台数码摄像头,其视野范围足以全面覆盖旷场内部,确保实验过程的全面记录。实验环境的光照条件为全人工控制,允许研究者根据实验需求设定模拟的“白天”与“黑夜”时段,以探究光照变化对实验对象行为的影响。此外,实验室的背景噪音被严格控制在65 dB以下,以排除外界噪音对实验结果的潜在干扰。实验过程中,将待检测的小鼠逐一放入准备好的旷场设备中,随后启动录像设备,进行连续5 min的视频记录,观察各组小鼠的运动总距离、中央区探索距离和中央区探索时间。
1.2.11 悬尾实验(tail suspension test,TST)
通过医用胶带将小鼠的尾巴固定在铁架上,使小鼠处于倒挂悬空(约距离台面15 cm)状态,小鼠悬挂2 min后记录4 min内的不动时间,一共悬挂6 min。
1.2.12 强迫游泳实验 (forced swim test,FST)
准备一个直径20 cm高30 cm的透明玻璃水槽,装15 cm高度的水,将水温控制在25 ℃左右,将小鼠放入水中,记录小鼠入水2 min后的4 min内小鼠的不动时间,一共检测 6 min。检测完成后将小鼠从水中拿出,擦干小鼠身上的水,将水槽内的水换成新的自来水,再进行下一只检测。
1.2.13 喷糖实验
将实验小鼠放置于标准化旷场环境中,随后在其背部均匀喷洒浓度为10%的蔗糖溶液。随后,启动摄像设备,连续记录5 min内小鼠的行为表现。实验结束后,对记录进行细致分析,统计小鼠在5 min内舔咬背部以清除蔗糖溶液的累计时间(舔背时间)。此指标被广泛用于评估小鼠的快感缺失症状,并同时观察其毛发梳理行为的变化,以综合反映小鼠的情感状态及可能的生理心理反应
[12]。
1.2.14 单胺类神经递质测定
所有行为学实验完成后,小鼠麻醉后取海马组织,破碎裂解后冰浴30 min,于4 ℃下12 000 r/min 离心15 min,收集上清液,检测5-HT、DA、NE的含量,使用ELISA试剂盒说明书的操作步骤进行。
1.3 统计学处理
利用Graphpad prism 8.0.2软件,两组之间比较采用非配对t检验,多组之间比较均采用单因素方差分析。计量数据以()表示,以P<0.05为差异具有统计学意义。
2 结果
2.1 ADMSCs‑EXO提纯及表征
如
图1A所示,ADMSCs呈梭形, 鱼群状聚集排列,
图1B流式细胞仪结果显示满足CD105阳性,CD11b阴性的细胞为99.74%。满足CD19阴性,CD44阳性的细胞为98.77%。符合脂肪干细胞一般形态。如
图1C~G所示,提取并纯化的ADMSCs,培养生长至P5代,利用超滤超离法获取ADMSCs-EXO,并使用NAT和EM对EXO进行检测。EXO浓度为1.3×10
10particle/mL,粒径中位数为105.4 nm,EXO在EM下呈脂质双层囊泡状结构,粒径均数在30~150 nm之间,符合EXO一般表征。
图1H表示在相同的总蛋白水平下,与ADMSC相比,ADMSCs-EXO的标记物Alix、TSG101和CD63表达富集。
图1I为PKH26-EXO经共聚焦显微镜(FV3000)观察下显示出EXO颗粒在溶液中进行布朗运动。
2.2 小鼠通过鼻腔吸入标记的EXO成功入脑
对正常小鼠连续3 d鼻腔滴入PKH-26荧光标记的EXO,最后1次滴入后1 h,取小鼠脑组织进行切片,然后荧光显微镜下EXO在观察脑内分布情况。如
图2所示:在小鼠脑水平切面上显示PKH26-EXO先后进入嗅球、梨状区、海马、顶额叶皮质等脑区。
2.3 小鼠抑郁样行为学比较
抑郁组小鼠在造模21 d后,TST、FST实验显示不动时间较PBS组显著增加,差异具有统计学意义(
P<0.01)。以上结果表明抑郁组小鼠出现明显抑郁样行为,见
图3。
2.4 EXO滴鼻后各组小鼠抑郁样行为比较
EXO+CMS组小鼠经8周EXO治疗后,在OFT中展现出运动总距离、中央区总距离减少、中央区停留时间缩短;但与CMS组相比均有所增加,差异具有统计学意义(
P<0.01)。在TST与FST中,鼻腔EXO治疗组小鼠的不动时间相较于PBS组显著延长,但相较于CMS组则明显减少,差异具有统计学意义(
P<0.05)。此外,喷糖实验结果显示CMS组相比,鼻腔EXO治疗组小鼠的舔背时间明显延长,差异具有统计学意义(
P<0.001),进一步印证了鼻腔EXO治疗对抑郁组小鼠抑郁样行为的显著改善作用,见
图4。
2.5 EXO治疗后各组小鼠海马单胺类神经递质含量比较
EXO+CMS组小鼠经鼻腔EXO治疗8周后,其海马区内的5-HT、DA、NE等单胺类神经递质含量相较于PBS组降低,差异具有统计学意义(
P<0.01),但相较于CMS组则呈现显著增加趋势,且该变化具有统计学意义(
P<0.01)。因此,可推断EXO鼻腔治疗能有效促进小鼠海马中单胺类神经递质的表达上调,见
图5。
3 讨论
脂肪组织作为活跃的内分泌器官,富含ADMSCs,后者在软组织损伤修复中扮演关键角色
[13,14]。相较于其他间充质干细胞来源,ADMSCs具有易获取、数量充足及显著的组织修复与再生功能,被国际脂肪治疗学及科学联合会认定为再生疗法的潜在宝贵资源
[15]。鉴于此,ADMSCs在临床应用中备受期待,承载着重要的治疗希望
[16]。本研究采用高效的胶原消化法体外分离ADMSCs,依据ISCT标准
[17],通过流式细胞术检测确认其表面标志物特征:CD44
+、CD105
+高表达,CD11b
-、CD19
-低表达,符合ADMSCs特性。细胞形态呈梭形、鱼群状排列
[18],生长模式稳定,验证了ADMSCs的成功分离与培养,方法简便有效。EXO为纳米级小细胞外囊泡,由磷脂双分子层构成,尺寸介于30~200 nm之间,亦称脂质囊泡,源自核内体内陷,作为细胞间通讯媒介,携带遗传物质及生物活性分子
[17]。研究显示,ADMSCs主要通过免疫调节与旁分泌机制(尤其是EXO)而非直接分化发挥功能。当前,EXO提取技术多样,超速离心法被视为“金标准”
[19]。本研究创新性地融合超滤与超离心技术,高效提取高浓度、高纯度ADMSCs-EXO。超滤初步富集EXO,去除大颗粒杂质;超离心进一步纯化,分离不同颗粒,确保EXO纯度。此方法简便、重现性好、样本损伤小,为后续研究提供高质量样本。采用NTA、透射电子显微镜等技术验证
[20],确认提取物EXO特性,包括颗粒数、形态及脂质双分子层结构,满足研究需求。
研究表明,EXO参与并影响抑郁症的发生、发展等过程。鼻腔给药作为一种微创、易于重复且操作简单的方法,能够通过单个上皮细胞层直接将药物运输到全身血液循环,或沿嗅觉神经细胞直接穿过血脑屏障进入大脑
[21]。而相关研究发现通过尾静脉注射的EXO大部分到达了肝脏、肾脏等体内外周器官,进入大脑的EXO量相对较少
[22-24]。本研究发现,标记后的ADMSCs-EXO在经鼻给药后能够迅速且有效地进入大脑,并显著改善了小鼠的抑郁样行为,这可能与EXO的血脑屏障穿透能力、神经保护与修复作用、免疫调节与抗炎作用、调节神经递质和受体以及直接作用于大脑特定区域等多种机制有关。鼻腔给药能够直接将EXO传递至大脑,这一途径通过EXO携带的神经营养因子、生长因子等关键分子,有效促进神经元的存活、再生及突触功能的恢复
[25]。同时,EXO还能减少炎症反应,清除有害物质或调节神经递质,从而显著改善抑郁小鼠的行为和认知功能。此外,ADMSCs-EXO展现出免疫调节或免疫抑制的潜力,这对于抑郁的治疗同样具有重要意义。在抑郁的发病过程中,免疫系统的过度激活和炎症反应是加剧神经元功能异常和情绪障碍的关键因素之一
[26]。EXO可能通过调节免疫细胞的活性、抑制炎症介质的释放、促进抗炎分子的表达以及影响5-HT能系统等多种途径,共同作用于减轻炎症反应对神经元的损害,进而缓解抑郁症状并改善疾病进程
[27]。
在抑郁样行为学实验中,本课题组观察到抑郁组小鼠在TST和FST实验中不动时间的显著增加,则表明抑郁组小鼠出现了典型的抑郁样行为。而经过8周的鼻腔EXO治疗后,EXO+CMS组小鼠在OFT中的表现有所改善,TST与FST中的不动时间显著减少,喷糖实验中舔背时间也明显延长,则表明EXO治疗有效缓解了小鼠的抑郁样症状。进一步分析EXO改善抑郁小鼠行为的潜在机制,我们推测这可能与EXO的多重生物活性密切相关。首先,EXO能够调节免疫细胞的活性,抑制促炎因子的释放,同时促进抗炎分子的表达,从而减轻神经系统的炎症反应,保护神经元免受损害
[28]。其次,EXO可能通过携带并传递特定的神经生长因子或神经营养因子,促进受损神经元的修复与再生,恢复正常的神经传递功能
[29]。此外,EXO还可能影响脑内单胺类神经递质(如5-HT)的代谢与平衡,调节情绪相关的神经环路,从而改善抑郁症状
[30]。这一发现不仅验证了EXO在抑郁模型中的治疗效果,也为后续机制研究提供了有力的实验依据。
最后,本课题组检测了EXO治疗对小鼠海马区单胺类神经递质的影响。结果显示,EXO+CMS组小鼠海马中的5-HT、DA和NE含量相较于PBS组虽有所降低,但较CMS组则显著增加。这一变化为笔者理解EXO在抑郁症治疗中的潜在作用提供了新的视角。首先,从单胺类神经递质的角度来看,5-HT、DA和NE等单胺类递质在情绪调节、认知功能及行为反应中发挥着关键作用。抑郁症患者常伴有这些神经递质的代谢异常,表现为递质水平下降或功能失衡
[31]。本研究中,EXO+CMS组小鼠海马区5-HT、DA和NE含量的显著增加,提示EXO治疗可能通过调节这些神经递质的代谢与平衡,从而改善抑郁症状。这一结果与当前神经科学领域关于抑郁症发病机制及抗抑郁药物治疗机制的研究相一致。进一步地,笔者推测EXO对抑郁症的潜在治疗作用可能与其免疫活性及抗炎作用密切相关。近年来,越来越多的研究表明,免疫系统的过度激活和炎症反应在抑郁症的发病过程中扮演着重要角色
[26]。EXO作为细胞间通讯的重要媒介,不仅参与神经递质的传递与调节,还可能通过携带抗炎因子、调节免疫细胞活性等方式,抑制神经系统的炎症反应,从而减轻神经元损伤,促进神经元的修复与再生。这一抗炎作用可能间接地促进神经递质的合成与释放,进一步改善抑郁症状
[27]。然而,本研究仅初步探讨了EXO滴鼻对抑郁小鼠行为的影响及单胺类神经递质水平的改变观察,并未深入探究其具体的分子机制及信号通路。未来的研究需进一步阐明EXO如何调节神经递质的代谢与平衡,以及其在抑郁症治疗中的具体作用机制,以期为抑郁症治疗的临床应用提供更为坚实的理论基础和实验依据。
综上,本研究不仅证实了ADMSCs-EXO经鼻腔途径给药在缓解小鼠抑郁样行为中的有效性,还初步揭示了其可能通过改善免疫和炎症过程,促进单胺类递质的合成和释放,从而成为抑郁症治疗中的一种新型有效手段。未来研究将进一步深入探讨EXO的具体作用靶点及其分子机制,以期为抑郁症等中枢神经系统疾病的治疗提供新的思路与策略。
作者贡献度说明:
易西南:提出课题思路并提供指导;田梦思:进行相关实验、数据分析并进行文章书写;郑育杰、沈雅婷:进行实验协助并记录实验数据;郭青云:进行图片排布及修改。
所有作者声明不存在利益冲突关系。
国家自然科学基金资助项目(82301632)
海南省科技厅社会发展项目(ZDYF2024SHFZ137)
海南省科技厅社会发展项目(ZDYF2020145)
海南省热带环境脑科学研究与转化重点实验室开放项目基金(2022001)
海南医科大学研究生创新项目(HYYB2022A15)