二甲双胍通过 rejuvenating 衰老干细胞恢复中枢神经系统再髓鞘化能力

Metformin Restores CNS Remyelination Capacity by Rejuvenating Aged Stem Cells.

作者信息Björn Neumann, Roey Baror, Chao Zhao, Michael Segel, Sabine Dietmann, Khalil S Rawji, Sarah Foerster, Crystal R McClain, Kevin Chalut, Peter van Wijngaarden, Robin J M Franklin
PMID31585093
发布时间2019-10-03
DOI10.1016/j.stem.2019.08.015

实验完整度

高

包含体外OPC分化实验、RNA-seq、体内脱髓鞘再髓鞘化模型及AMPK机制验证

主要模型

年轻(2-3月龄)与老年(20-24月龄)大鼠原代OPCs 12-18月龄雌性SD大鼠局灶性脱髓鞘模型 OPCs分化培养体系

重点核对

OPCs分离:A2B5 MACS分选,CD11b+小胶质细胞污染<0.8%,MOG+少突胶质细胞<2% 分化实验:年轻与衰老OPCs在撤除生长因子后分化效率比较,n=3生物学重复 体内再髓鞘化:EtBr诱导小脑白质脱髓鞘,50 dpl评估再髓鞘化 二甲双胍处理:100 μM体外处理衰老OPCs,300 mg/kg体重饮用水给药 AMPK依赖性验证:dorsomorphin抑制及CRISPR/Cas9敲除Prkaa2

摘要

少突胶质前体细胞(OPCs)随年龄增长产生少突胶质细胞的能力下降,与多发性硬化(MS)中不可逆的神经退行性变相关。本研究表明,成年啮齿类动物OPCs的分化潜能随年龄增长而降低。衰老OPCs对促分化信号无反应,提示旨在增强OPC分化的治疗策略面临内在限制。这种功能能力的下降与细胞衰老的标志相关,包括代谢功能降低和DNA损伤增加。禁食或二甲双胍治疗可以逆转这些变化,恢复衰老OPCs的再生能力,改善老年动物局灶性脱髓鞘后的再髓鞘化。经二甲双胍处理的衰老OPCs恢复了对促分化信号的响应性,提示 rejuvenation 与促分化治疗具有协同效应。这些发现为年龄相关的再髓鞘化失败提供了见解,并提示了逆转慢性疾病中此类衰退的治疗干预措施。

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
衰老是否导致OPCs内在变化从而影响其对分化信号的响应性,以及能否通过禁食或二甲双胍逆转这种衰老相关衰退。
核心机制
衰老OPCs获得细胞衰老标志(DNA损伤增加、线粒体功能降低、mTOR活性升高),二甲双胍通过AMPK依赖途径改善线粒体功能,恢复OPCs对促分化信号的响应性和分化能力。
主要证据
体外分化实验显示衰老OPCs分化效率降低且对T3等促分化因子无反应;RNA-seq和功能实验揭示衰老标志;禁食和二甲双胍处理恢复衰老OPCs分化能力并改善老年大鼠再髓鞘化;CRISPR/Cas9敲除Prkaa2阻断二甲双胍效应。
研究意义
为年龄相关再髓鞘化失败提供见解,提示禁食模拟物二甲双胍可作为逆转慢性脱髓鞘疾病中OPC功能衰退的潜在治疗干预。

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

建立年轻与衰老OPCs培养体系

获得可用于比较分化能力的年轻和衰老OPCs

从2-3月龄和20-24月龄大鼠脑组织通过A2B5 MACS分离OPCs,鉴定其身份并排除成熟少突胶质细胞、小胶质细胞和星形胶质细胞污染

2

比较年轻与衰老OPCs的分化能力及对促分化因子的响应

验证衰老是否导致OPCs内在分化能力下降及对促分化信号无反应

在撤除生长因子的分化培养基中培养OPCs,检测O4、CNPase、MBP等分化标志物,并测试T3、9-cis-retinoic acid、miconazole、benztropine对分化的影响

3

表征衰老OPCs的分子和功能衰老标志

鉴定衰老OPCs的转录组变化和细胞衰老特征

对新鲜分离的年轻和衰老OPCs进行RNA-seq、qRT-PCR验证、Western blot检测mTOR通路、彗星实验检测DNA损伤、ATP测定和耗氧率测定

4

测试禁食对老年大鼠再髓鞘化和OPCs功能的影响

验证禁食能否恢复衰老OPCs功能并改善体内再髓鞘化

12月龄雌性SD大鼠进行隔日禁食6个月,然后通过EtBr注射诱导小脑白质脱髓鞘,50天后评估再髓鞘化,并分离OPCs进行分化实验

5

验证二甲双胍对衰老OPCs分化能力的体外作用及机制

确定二甲双胍能否模拟禁食效应恢复衰老OPCs分化能力,并验证AMPK依赖性

衰老OPCs在分化前用二甲双胍处理,检测分化效率和对促分化因子的响应;使用dorsomorphin抑制AMPK和CRISPR/Cas9敲除Prkaa2验证机制;检测线粒体功能和ATP水平

6

测试二甲双胍对老年大鼠再髓鞘化的体内效果

验证二甲双胍能否在体内改善老年动物的再髓鞘化

15月龄雌性SD大鼠在饮水中给予二甲双胍,18月龄时诱导EtBr脱髓鞘,评估再髓鞘化程度

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
抗A2B5抗体,克隆A2B5-105MilliporeMAB312
抗A2B5-PE抗体Milteny Biotec130-098-038
Percoll密度梯度介质GE Healthcare17-0891-01
木瓜蛋白酶Worthington--
IV型DNA酶GIBCO--
重组人碱性FGFPeprotech100-18B
重组人PDGF-AAPeprotech100-13A
人重组胰岛素锌溶液Thermo Fisher Scientific12585014
人脱铁转铁蛋白SigmaT1147
腐胺Sigmap5780
孕酮SigmaP8783
牛血清白蛋白SigmaA4919
甲状腺激素T3SigmaT6397
9-顺式视黄酸SigmaR4643
咪康唑SigmaM3512
苯扎托品甲磺酸盐SigmaSML0847
寡霉素Sigma495455-10MG
FCCPSigmaC2920-10MG
鱼藤酮SigmaR8875
ATPlite发光检测系统Perkin Elmer6016943
Seahorse XFp通量包Agilent103022-100
Seahorse XFe96通量包Agilent102601-100
抗AMPKα1+AMPKα2抗体Abcamab80039
抗磷酸化AMPKα (Thr172) (40H9)Cell Signaling Technology2535
抗p70 S6激酶Cell Signaling Technology9202
抗磷酸化p70 S6激酶 (Thr389)Cell Signaling Technology9205
抗β-肌动蛋白过氧化物酶偶联物Sigma-AldrichA3854
Lipofectamine LTX转染试剂Thermo Fisher Scientific15338030
AAV-CMVc-Cas9质粒Addgene106431
Directzol RNA微量制备试剂盒Zymo ResearchR2061
QuantiTect逆转录试剂盒QIAGEN205310
SYBR Green预混液QIAGEN204141
抗Olig2抗体MilliporeAB15328
抗Sox10 (N-20)抗体Santa Cruz Biotechnologiessc-17342
抗CD140a (Pdgfra)抗体BD Biosciences558774
抗NG2硫酸软骨素蛋白聚糖抗体MilliporeAB5320
抗Ki67抗体Abcamab16667
抗APC (Ab-7) 小鼠单克隆抗体 (CC-1)MilliporeOP80
抗少突胶质细胞标志物O4抗体R&D SystemsMAB1326
抗CNPase [11-5B]抗体Abcamab6319
抗MBP (aa82-87)抗体Bio-radMCA409S
抗Nkx2.2抗体DSHB74.5A5
抗大鼠Cd11b抗体Bio-radMCA275R
抗GFAP抗体Abcamab53554
抗小鼠IgM-PE抗体Milteny Biotec130-099-127
生物素化抗MOG抗体R&D SystemsBAF2439
抗大鼠CD11b/c PerCP/Cy5.5抗体Biolegend201819
链霉亲和素-Brilliant Violet 421Biolegend405226

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
OPCs分离与培养
大鼠品系(Sprague Dawley)、年龄分组(2-3月龄 vs 20-24月龄)、A2B5 MACS分选纯度、培养基成分及生长因子浓度(bFGF和PDGF 30ng/ml初始,20ng/ml维持)
阅读提示:Methods 'Isolation of adult oligodendrocyte progenitor cells'和'Culture of adult oligodendrocyte progenitor cells'小节
体外分化实验
分化培养基中T3浓度(40ng/ml)、9cRA(50nM)、miconazole(1μM)、benztropine(1.5μM)、二甲双胍(100μM)、dorsomorphin(1μM);换液频率(每48h换66%培养基);n=3生物学重复
阅读提示:Methods 'Culture of adult oligodendrocyte progenitor cells'及Figure 1、Figure 4图注
隔日禁食(ADF)体内实验
大鼠性别和年龄(12月龄雌性SD大鼠)、禁食方案(隔日禁食,周二、周四、周六、周日进食)、禁食持续时间(6个月)、脱髓鞘诱导方法(EtBr 0.01%,4μl注射至小脑上脚)、再髓鞘化评估时间点(50 dpl)
阅读提示:Methods 'Animal husbandry'和'Induction of white matter lesions and assessment of remyelination'小节;Figure 3A
二甲双胍体内实验
二甲双胍剂量(300 mg/kg体重/天)、给药方式(饮用水)、给药起始年龄(15月龄)、脱髓鞘诱导年龄(18月龄)、每组n=6
阅读提示:Methods 'Animal husbandry'和Figure 6D图注
AMPK依赖性验证
CRISPR/Cas9 gRNA靶向Prkaa2序列、转染条件(30,000细胞/96孔,Lipofectamine LTX 0.4μl,Cas9 mRNA 100ng,gRNA 50ng)、dorsomorphin浓度(1μM)
阅读提示:Methods 'CRISPR/Cas9 mediated knockdown of Prkaa2 (AMPK)'小节及Figure 4G-4J
再髓鞘化评估
盲法排名分析方法、电镜下再髓鞘化轴突计数标准、G比率测量方法、每组样本量(排名分析n≥6,再髓鞘化百分比n≥4)
阅读提示:Methods 'Induction of white matter lesions and assessment of remyelination'小节及Figure 3D、3E、6F、6H图注