Aβ诱导的过度线粒体分裂驱动H型血管损伤,加重APP/PS1阿尔茨海默病小鼠的骨丢失

Aβ -induced excessive mitochondrial fission drives type H blood vessels injury to aggravate bone loss in APP/PS1 mice with Alzheimer's diseases.

作者信息Weidong Zhang, Fan Ding, Xing Rong, Qinghua Ren, Tomoka Hasegawa, Hongrui Liu, Minqi Li
PMID39411913
发布时间2025-02
DOI10.1111/acel.14374

实验完整度

包含动物模型(APP/PS1小鼠)、细胞实验(骨ECs、成骨祖细胞)、分子机制验证(线粒体分裂、GSK-3β通路)、体内药物干预(Mdivi-1、LiCl)等多个证据层级,且有功能验证和机制验证。

主要模型

4月龄和8月龄APP/PS1小鼠 年龄匹配的野生型小鼠 骨血管内皮细胞(ECs) 成骨祖细胞

重点核对

小鼠月龄:4月龄和8月龄 药物处理:Mdivi-1(50 mg/kg,每周两次)和LiCl(30 mg/kg,每日一次),持续4周 Aβ处理浓度:5 μM、10 μM、15 μM(体外) Z-VAD-FMK浓度:40 μM 统计方法:t检验、单因素或双因素方差分析,Bonferroni事后检验

摘要

阿尔茨海默病(AD)患者比同龄认知正常者遭受更严重的骨丢失。H型血管与骨稳态密切相关。然而,很少有研究关注骨血管改变及其在AD相关骨丢失中的作用。本研究使用APP/PS1小鼠(4月龄和8月龄)及年龄匹配的野生型小鼠来评估骨血管改变及其在AD相关骨丢失中的作用。利用透射电子显微镜、免疫荧光染色和iGPS 1.0软件数据库研究分子机制。使用线粒体分裂抑制剂(Mdivi-1)和GSK-3β抑制剂(LiCl)来挽救H型血管损伤并验证分子机制。我们的结果显示,APP/PS1小鼠随着年龄增长表现出更严重的骨血管损伤和骨丢失。骨血管损伤,尤其是H型血管损伤,伴有APP/PS1小鼠血管化骨形成受损。进一步探索表明,β-淀粉样蛋白(Aβ)促进血管内皮细胞(ECs)凋亡并导致H型血管损伤。机制上,Aβ诱导的过度线粒体分裂被发现在ECs凋亡中是必需的。GSK-3β被确定为Aβ诱导的过度线粒体分裂和骨丢失的关键调控靶点。研究结果表明,Aβ诱导的过度线粒体分裂驱动H型血管损伤,导致APP/PS1小鼠骨丢失加重,GSK-3β抑制剂成为一种潜在的治疗策略。外周循环Aβ加重H型ECs凋亡,导致AD小鼠血管化骨形成受损。进一步的机制探索发现,Aβ通过激活GSK-3β磷酸化Drp1的ser616位点,促进Drp1从胞质转位至线粒体,导致过度线粒体分裂。由于Aβ诱导的过度线粒体分裂,出现大量受损线粒体并促进H型ECs凋亡。

实验结论

提炼研究问题、关键发现与证据,快速把握文章的核心贡献。

研究问题
AD相关骨丢失中骨血管(尤其是H型血管)的改变及其分子机制是什么?
核心机制
Aβ通过激活GSK-3β磷酸化Drp1的ser616位点,促进Drp1从胞质转位至线粒体,导致过度线粒体分裂,进而诱导H型内皮细胞凋亡,损伤H型血管,抑制血管化骨形成,最终加重骨丢失。
主要证据
APP/PS1小鼠中H型血管减少、骨丢失增加,且伴有Aβ沉积增加;体外Aβ处理诱导ECs凋亡和线粒体分裂,Mdivi-1和LiCl可逆转这些效应;体内Mdivi-1和LiCl可减轻H型血管损伤和骨丢失。
研究意义
GSK-3β抑制剂可能成为AD相关骨丢失的潜在治疗策略。

研究路径

按研究推进顺序梳理实验设计、验证步骤与关键观察。

1

评估AD小鼠骨血管和骨量变化

比较APP/PS1小鼠与野生型小鼠在不同年龄阶段的骨血管密度和骨量差异,明确AD相关骨丢失中骨血管改变。

使用4月龄和8月龄APP/PS1小鼠及野生型小鼠,通过Morris水迷宫测试认知功能,免疫荧光染色检测H型血管,流式细胞术检测H型ECs比例,μCT和HE染色评估骨量。

2

检测血管化骨形成的变化

验证骨血管损伤是否伴随血管化骨形成受损。

通过IF检测Osterix+成骨祖细胞,IHC检测ALP和RUNX2,Western blot检测ALP和RUNX2蛋白水平,ELISA检测骨髓和ECs上清中Noggin和TGF-β水平,并用ECs上清诱导成骨祖细胞后进行ALP和ARS染色。

3

验证Aβ对ECs凋亡和血管化骨形成的影响

确定Aβ是否通过诱导ECs凋亡导致血管化骨形成受损。

体内检测骨血管中Aβ沉积和ECs凋亡(TUNEL+CD31+),体外用不同浓度Aβ处理ECs,流式检测细胞凋亡,并用Z-VAD-FMK抑制凋亡,检测上清中Noggin和TGF-β水平,并用上清进行成骨诱导实验。

4

探究Aβ诱导ECs凋亡的线粒体机制

明确Aβ诱导的过度线粒体分裂是否参与ECs凋亡。

使用TEM观察线粒体形态,Western blot检测Drp1在胞质和线粒体中的分布,用Mito Tracker染色观察线粒体网络,TUNEL和MMP检测凋亡,Western blot检测凋亡相关蛋白。

5

体内验证Mdivi-1的保护作用

在AD小鼠模型中验证抑制线粒体分裂是否能减轻H型血管损伤和骨丢失。

对8月龄APP/PS1小鼠给予Mdivi-1或安慰剂4周,通过IF、流式、ELISA、TUNEL、μCT和HE评估H型血管、ECs凋亡、骨形成和骨量。

6

鉴定GSK-3β为关键调控靶点

寻找Aβ诱导过度线粒体分裂的上游激酶,并验证其作用。

使用iGPS 1.0预测Drp1磷酸化激酶,分子对接分析GSK-3β与Drp1的相互作用,共免疫荧光检测GSK-3β和p-Drp1共定位,用LiCl抑制GSK-3β后检测线粒体形态、凋亡和骨量变化。

研究方法

按研究目的归类文中使用的方法,便于定位所需技术。

产品清单

实验环节名称品牌货号
Mdivi-1MedChemExpressHY-15886
氯化锂MedChemExpressHY-W094474
抗CD31抗体Abcamab9498
抗内皮粘蛋白抗体Abcamab106100
抗Osterix抗体Abcamab209484
抗Aβ抗体Abcamab201060
抗磷酸化Drp1抗体AffinityAF8470
抗GSK-3β抗体Proteintech67329-1-lg
抗ALP抗体HUABIOET1601-21
抗RUNX2抗体Abcamab192256
内皮粘蛋白抗体Santasc-65,495
抗CD45抗体ElabscienceE-AB-F1136D
抗CD31抗体ElabscienceE-AB-F1180E
NovoCyte Advanteon流式细胞仪----
包被抗大鼠抗体的DynabeadsProteintechSA00003-11
内皮细胞生长培养基SclenCell38998
MCEHY-P1388
Z-VAD-FMKAPExBIOA1902
膜联蛋白V-FITCBD Biosciences556547
碘化丙啶BD Biosciences556547
一步法TUNEL凋亡检测试剂盒BeyotimeC1086
Noggin ELISA试剂盒KeyybioKYY-0911M2
TGF-β ELISA试剂盒ProteintechKE10005
胶原酶BeyotimeST2303
红细胞裂解液SolarbioR1010
α-MEM培养基----
Mito Tracker GreenBeyotimeC1048
Hoechst染色液BeyotimeC1027
JC-1检测试剂盒BeyotimeC2006
RIPA裂解液试剂盒CwBio02408/60412
细胞线粒体分离试剂盒ProteintechPK10016
胞质蛋白提取试剂盒BeyotimeP0027
BCA蛋白检测试剂盒BeyotimeP0009
抗ALP抗体ABclonalA0514
抗RUNX2抗体MBLD130-3
抗Drp1抗体Proteintech12957-1-AP
抗caspase-3抗体Abcamab13847
抗Bax抗体Proteintech50599-2-lg
抗Bcl-2抗体Proteintech68103-1-1g
抗细胞色素C抗体Proteintech10993-1-AP
抗GAPDH抗体Proteintech10494-1-AP
抗COX IV抗体Proteintech11242-1-AP
增强化学发光试剂SolarbioYA0372
Aβ ELISA试剂盒KeyybioKYY-44819M2
成骨因子ELISA试剂盒WELLBIOEH10318s, EH10908s
共聚焦激光显微镜----
超分辨共聚焦显微镜LeicaDeltaVision OMX Flex
荧光显微镜LeicaDMi8
光学显微镜OlympusCKX-41
透射电子显微镜Thermo FisherTalos F200C
显微CTPerkinElmerQuantum GX2
Tissue-Tek O.C.T.包埋剂SAKURA4583

关键环节

汇总复现实验时建议重点确认的条件及原文阅读提示。

环节核对要点
动物模型
小鼠品系、性别、月龄、来源
阅读提示:Methods 2.1
药物干预
Mdivi-1剂量50 mg/kg,每周两次;LiCl剂量30 mg/kg,每日一次;给药方式(文中未明确说明,但为注射)、持续时间4周
阅读提示:Methods 2.1
细胞处理
Aβ浓度(1,5,10,15 μM)、Z-VAD-FMK浓度40 μM
阅读提示:Results 3.3, Methods 2.6
骨量测量
μCT扫描参数、分析软件版本、脱钙条件(0.5 M EDTA,4°C,21天)
阅读提示:Methods 2.2
流式分析
抗体稀释比(CD45 1:20, CD31 1:20)、孵育时间(45分钟)、胶原酶浓度0.5 mg/ml
阅读提示:Methods 2.4
线粒体检测
Mito Tracker Green浓度100 nM、JC-1孵育时间20分钟
阅读提示:Methods 2.8, 2.9
统计设计
独立重复次数至少3次、统计检验方法(t检验、ANOVA、Bonferroni事后检验)、显著性水平p<0.05
阅读提示:Methods 2.13