抑郁症患者大脑皮层不同区域谷氨酰胺合成酶免疫反应性星形胶质细胞密度降低，但双相I型障碍患者没有

摘要

介绍

最初，对情绪障碍病理学可能的细胞基质的研究主要集中在神经元上(Rajkowska，2000年,2002;Cotter等人，2001a,b条,2002;Manji等人，2001年). 然而，在过去的几年里，一波信息似乎表明，神经胶质细胞在许多方面对情绪障碍的大脑结构和功能变化起着重要作用。在众多组织学尸检中，两者均显著降低(嗮ngür等人，1998年;Rajkowska，2000年;Cotter等人，2001a,b条;Hamidi等人，2004年;Uranova等人，2004年;Rajkowska和Miguel-Idalgo，2007年;Altshuler等人，2010年;Gos等人，2013年)并且增加了(Davis等人，2002年;Mosebach等人，2013年;Malchow等人，2014年)在前额叶皮质区和边缘区观察到胶质细胞数量和数量密度。此外，在情感性疾病中发现了胶质细胞基因表达模式和代谢途径的特征性变化（综述于Barley等人，2009年;Steiner等人，2012年;Mosebach等人，2013年;Duncan等人，2014年;Schroeter等人，2014年;Bernstein等人，2015年). 值得注意的是，三种胶质细胞类别（即AC、OL和小胶质细胞）中的每一种似乎都对情感障碍的病理生理学做出了独特的贡献。此外，它们对MDD的影响可能不同(Verkhratsky等人，2014年)在BD中(Savitz等人，2014年;董和珍，2015). 在这方面，AC在MDD和BD病理学中的可能作用受到了广泛关注。AC是人脑中最常见的细胞类型，在中枢神经系统中具有广泛的不同功能。它们在突触传递、神经元代谢控制、大脑微环境感知、血脑屏障完整性维护、大脑防御和炎症过程中发挥重要作用(Sofroniew和Vinters，2010年;Teschemacher等人，2015年). 由于MDD和BD中报告了突触、代谢和炎症失调(哈里森，2002年;Si等人，2004年;Kato等人，2013年;杜曼，2014;Maletic和Raison，2014年; AC异常可能与这些疾病有关。AC主要通过两种方式影响大脑信息处理：（1）它们通过胞吐释放神经递质（谷氨酸、，D类-丝氨酸、GABA和ATP，Sahlender等人，2014年)，促进神经元和神经元-胶质细胞串扰之间的通信，以及（2）它们从细胞外空间去除谷氨酸，并为谷氨酸能和GABA能神经元提供谷氨酰胺，谷氨酰胺是它们从谷氨酸、氨和ATP合成的(Anlauf和Derouiche，2013年). 理论上，神经递质的释放受损(Van Horn等人，2013年)和/或AC对谷氨酸的吸收和再循环受损可能会导致MDD和BD中报告的谷氨酸能（最有可能是GABA能）神经传递异常（有关综述，请参阅Walter等人，2009年;Brennan等人，2010年;Gigante等人，2012年;Salvadore等人，2012年;Bernstein等人，2013年;Dou等人，2013年;杜曼，2014;Arnone等人，2015年;Pehrson和Sanchez，2015年). 然而，虽然关于神经递质对情绪障碍病理学可能产生影响的知识仍然零星(Etiévant等人，2013年)，有一些很好的证据支持受损的AC相关谷氨酸-谷氨酰胺循环是情感性障碍的一个重要促成因素（由Bernstein等人，2013年和Rajkowska和Stockmeier，2013年). 由于其在谷氨酸-谷氨酰胺-γ-氨基丁酸循环中的中心位置，谷氨酰胺合成酶GS（又名谷氨酸-氨连接酶，酶代码EC6.3.1.2）很早就成为研究的焦点，同时也发表了一些关于MDD和BD中GS变化的论文。在患有MDD的受试者中，大多数研究显示大脑GS减少。据报道，GS mRNA的表达在抑郁症自杀受害者的前额叶皮层、运动前皮层和杏仁核中下调，但在没有抑郁症的自杀完成者中没有下调(Choudary等人，2005年;Sequeira等人，2009年)而GS蛋白在前扣带皮层和眶额皮层中被发现减少(Choudary等人，2005年;Beasley等人，2006年;Miguel-Idalgo等人，2010年;Rajkowska和Stockmeier，2013年). 然而，其他人没有发现MDD受试者大脑皮层GS的改变(Toro等人，2006年). GS对BD的含义研究得不太深入，稀疏数据也不一致。GS表达没有变化(Toro等人，2006年)或减少(Choudary等人，2005年)在双相情感障碍患者的前额叶皮层。值得注意的是，除了一个(Toro等人，2006年)对情绪障碍中GS表达的研究使用了生化技术。因此，尽管有证据表明GS也可以在胶质细胞外定位中检测到，但很少有人关注GS表达细胞的类型(Takasaki等人，2010年;岩手等，2013年;Bernstein等人，2014年和其他）]。因此，理论上，与疾病相关的GS表达改变也可能涉及非星形胶质细胞。因此，我们计算了患有MDD、BD和心理健康对照者的10个不同皮层和皮层下脑区中表达GS的胶质细胞，并在此表明：（1）MDD患者的皮层区中GS-免疫活性胶质细胞密度显著降低，但BD患者的皮层区域中没有GS-免疫反应胶质细胞密度；（2）这些变化仅限于GS表达的AC，而GS表达OL在情绪障碍中是正常的。

材料和方法

结果

定性观察

谷氨酰胺合成酶免疫染色

星形细胞

谷氨酰胺合成酶免疫反应阳性的AC大量存在于大脑皮层和NAc中。它们的形态非常一致。GS的星形细胞体和突起明显染色。此外，在神经膜中观察到强烈的免疫染色。大量血管被GS-免疫活性AC端足包围。

少突胶质细胞

灰质GS-免疫活性OLs根据其典型形态很容易识别。免疫反应仅限于细胞体。短突起很少被免疫标记。免疫阳性OL在前额叶皮层分布相当均匀。然而，在AiC和NAc中，表达GS的OL相对较少。因此，我们没有在后两个大脑区域分别计算它们。GS在AC和OL中的免疫定位示例如下数字1A–I级.图​图1J1个月显示了控制反应。

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图1

MDD、BD和对照组皮质和皮质下人脑胶质细胞中GS的免疫定位。（A）GS-pACC中的免疫活性AC和OL（星号）（对照病例）。巴=20μm。（B）pACC（MDD受试者）中的GS-免疫活性AC和OL（星号）。棒材=20μm。（C）GS-pACC（BD受试者）中的免疫活性AC和OL（星号）。棒材=20μm。（D）GS-sACC中的免疫活性AC和OL（星号）（对照病例）。棒材=20μm。（E）GS-在sACC（MDD主题）中表示AC和OL（星号）。棒材=20μm。（F）GS-在DLPFC（BD主题）中表示AC和OL（星号）。棒材=20μm。（G）AiC中的GS-免疫阳性AC（对照病例）。棒材=20μm。（H）GS-在NAc中表达AC（对照案例）。棒材=24μm。（一）pACC中的GS-免疫活性OLs（星号）（对照病例）。棒材=20μm。（J）特异性控制反应。用重组GS蛋白预吸收初级抗血清后，未发现特异性免疫染色。棒材=30μm。

GFAP免疫染色

在所有皮质区，GFAP蛋白在大多数AC中表达。其分布呈层状。GFAP的最高封装密度出现在第一层（AC紧靠大脑软脑膜表面，Miguel-Idalgo等人，2010年)和II。在NAc中观察到GFAP免疫标记细胞元件的均匀分布。OLs不表达GFAP。

定量估算

我们可以复制我们自己的发现(Bernstein等人，2014年)以及其他人之前发布的结果(Toro等人，2006年)浅层皮层I–III中GS表达细胞的密度高于深层皮层IV–VI。因此，有理由分别计算表层和深层。

在患有情绪障碍的受试者中，发现DLPFC（左侧，I–III层，对= 0.029;F类=4.487和右侧，第I层至第III层；对= 0.046;F类=3.647），sACC（左侧，I–III层，对= 0.021;F类=4.304），AiC（左侧，I–III层，对= 0.002;F类= 7.893; 右侧，I–III层，对= 0.001;F类= 9.789; 骑乘侧，第IV–VI层，对= 0.015;F类= 5.136). 在pACC和NAc中未检测到明显变化。除一处外（DLPCC右侧，I–III层），Tukey的HSD均发生了显著变化事后（post-hoc）测验。值得注意的是，未发现OL的数值密度发生显著变化。形态分析结果如所示数字​图22–​66.

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图2

MDD、BD和对照组受试者DLPFC中GS-表达胶质细胞（AC和OLs）的数量密度。与对照组相比，MDD患者GS-表达的AC密度显著降低（AC左I–III，对= 0.029; AC右I–III，对= 0.046).

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图6

MDD、BD和对照组受试者NAc中GS-表达胶质细胞（AC和OLs）的数量密度。在这个脑区没有发现明显的变化。

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图3

MDD、BD和对照组受试者pACC中GS-表达胶质细胞（AC和OLs）的数量密度。在这个脑区没有发现明显的变化。

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图4

MDD、BD和对照受试者的sACC中表达GS的神经胶质细胞（AC和OL）的数字密度。与对照组相比，MDD患者GS-表达的AC密度显著降低（AC左I–III，对= 0.021).

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图5

MDD、BD和对照受试者AiC中表达GS的神经胶质细胞（AC和OL）的数字密度。与对照组相比，MDD患者GS-表达的AC密度显著降低（AiC左I–III，对= 0.002; AiC右I–III，对= 0.001; AiC右IV–VI，对= 0.015).

MDD与控制

与对照组相比，在所研究的10个皮层和皮层下脑区中的5个MDD中发现GS-免疫阳性AC的数量密度显著降低：DLPFC（左侧，第一层至第三层，对=0.024），sACC（左侧，层I–III，对= 0.018); AiC（左侧，I–III层；对= 0.002; 右侧，I–III层；对= 0.001;F类= 9.962; 右侧，第IV–VI层，对= 0.012).

BD与控制

在BD病例中，GS-表达的AC和OL的数字密度与对照组没有显著差异。

MDD与BD

与BD患者相比，MDD患者的DLPFC中GS-免疫阳性AC的密度显著降低（右侧，I–III层，P（P）=0.047），在AiC中（左侧，层I–III，对= 0.024; 右侧，第IV.IV层；对= 0.001).

完全自杀对细胞密度的影响

因为有报告显示，无论有无情绪障碍，自杀受害者的大脑中GS表达都发生了改变(Kim等人，2007年;Sequeira等人，2009年;Bernstein等人，2013年)接下来，我们分析了混杂因素“自杀死亡”对研究中大脑区域GS免疫反应性AC密度的影响。为此，我们将MDD和BD病例分为自杀受害者亚组（MDD：N个= 11; 基本设计：N个=7）和自然死亡的抑郁症患者（MDD：N个= 3; BD公司：N个= 8). 就MDD患者而言，自杀死亡的抑郁症患者和患有MDD的非自杀患者之间，没有任何脑区的GS表达细胞密度出现显著差异。BD患者的情况也一样：自杀性和非自杀性BD患者在任何研究区域的胶质细胞密度没有显著差异，如图​图77然而，应该强调的是，患有MDD的非自杀受试者亚群太小(N个＝3）从这些数据中得出影响深远的结论。

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图7

MDD自杀完成者、MDD非自杀结束者、BD自杀完成者和BD非自杀完成者的AiC中GS-表达胶质细胞的数量密度，以及对照组。未发现明显变化。

其他混淆因素的影响

对测试结果的潜在混杂因素的分析表明，年龄、性别、病程或精神药物对测试结果没有显著影响。特别是年龄和GS表达的AC密度之间缺乏相关性是有趣的，因为Rajkowska和Stockmeier（2013）假设胶质细胞病理学似乎主要适用于中青年MDD患者（<60岁）。

半球不对称性对人脑GS细胞分布的可能影响

有证据表明，人脑两个半球的结构、功能和生理不对称（在Jayasundar和Raghunathan，1997年)涉及健康和情绪障碍（MDD：Pfleiderer等人，2003年;Bajbouj等人，2006年;Gos等人，2012年; 基本设计：Gos等人，2012年;Xu等人，2013年). 后者的部分原因可能是左右半球GS免疫反应分布的差异(Bernstein等人，2013年)不幸的是，关于人脑GS催化活性和分布的知识主要来自对一个（即左）大脑半球的研究(Burbaeva等人，2003年;Rajkowska和Miguel-Idalgo，2007年;Miguel-Idalgo等人，2010年). 为了排除GS可能存在的左右不对称性，我们分别计算了左右半球。在对照组和情感障碍受试者中均未发现明显的左右不对称。

讨论

抑郁症和BD是具有多因素病理生理特征的严重精神疾病。过去几年，我们对情感障碍神经生物学的理解有了显著的扩展，将谷氨酸能和GABA能假说添加到情绪失调的“经典”单胺能理论中(德尔加多，2000年;Skolnick等人，2009年;Catena-Dell'Osso等人，2013年;Dou等人，2013年;赫兹等人，2014;Pehrson和Sanchez，2015年;Schitine等人，2015年). 除了抑郁症中氨基酸能神经传递受损的其他指标外，对神经影像学结果的两项大型荟萃分析表明，成年MDD患者的Glx水平降低，而BD患者的大脑中谷氨酸和谷氨酰胺水平升高、降低和不变(Yüksel和Øngür，2010年;Gigante等人，2012年;Luykx等人，2012年). 此外，NMDA受体拮抗剂氯胺酮已在临床试验中被证明在MDD中起到快速抗抑郁剂的作用（有关最近的考虑，请参阅DeWilde等人，2015年). 接受谷氨酸在精神障碍病理学中的关键作用需要神经胶质细胞的强制性暗示(Arnone等人，2015年). 作为谷氨酸能三分突触的一部分，完整的AC对谷氨酸能神经传递的正常功能至关重要，突触水平的神经-AC交流失衡可能会显著导致情感障碍，如躁狂和抑郁(Mitterauer，2015年;汤普森等人，2015年). 酶GS在AC中高度表达，但其表达不限于AC，它需要通过谷氨酸或GABA的再摄取合成无毒的谷氨酰胺。此外，在人脑中发现了一种在免疫学和酶学上非常密切相关的未知细胞定位的（类谷胱甘肽蛋白）“姊妹”酶(Boksha等人，2000年)显示精神分裂症和阿尔茨海默病的表达改变(Burbaeva等人，2003年;Burbaeva等人，2014年). 然而，类谷胱甘肽酶对情绪障碍的潜在影响尚不清楚。在设计本研究时，我们牢记这一点，对MDD和BD患者不同皮质和皮质下灰质区域的GS-免疫活性胶质细胞进行了形态计量学分析，从而尽可能分别计算AC和OL。在MDD患者的前额叶DLPFC和sACC以及AiC中发现GS免疫阳性AC的密度显著降低。值得注意的是，GS-免疫阳性OLs的密度在所有研究区域均正常，尽管其他人在情绪障碍的前额叶皮层IIIa、b和c亚层发现了明显的神经元周围OLs丢失(Vostrikov等人，2007年). 当仔细分析小鼠皮层GS表达的OL时，Takasaki等人（2010）发现该酶蛋白主要表达于神经元周围OLs，其中约一半为GS-免疫阳性。然而，这些GS-免疫活性OL缺乏质膜谷氨酸转运体GLAST和GLT-1，因此显然无法参与谷氨酸-谷氨酰胺循环。这些细胞如此表达GS的原因仍不得而知，但似乎与谷氨酸能突触神经传递没有直接关系（可能在细胞氨清除和/或对相关皮层神经元的某些代谢支持中发挥作用，Takasaki等人，2010年;Bernstein等人，2014年). 因此，我们的数据清楚地显示了MDD患者大脑皮层GS表达的细胞类型特异性降低，这在用生化方法分析大脑样本中的总GS蛋白时无法揭示。有趣的是，我们没有发现NAc中GS表达的AC密度改变的迹象，尽管该脑区在MDD中起着中心作用(汤普森等人，2015年)因此，它被选为治疗难治性MMD患者脑深部刺激的靶结构(Bewernick等人，2012年). 虽然AC通过激活谷氨酸受体在控制NAc神经元兴奋性方面起着关键作用(Fellin等人，2007年;汤普森等人，2015年)，它们对“人类”抑郁症的可能影响尚未得到充分研究。然而，在抑郁症的发育“毒性应激”模型中，NAc中的AC数量没有变化(Shende等人，2015年).

与MDD不同的是，BD病例中表达GS的神经胶质细胞密度没有变化。这与之前的研究结果一致Toro等人（2006年），但与BD受试者前额区GS表达减少相比Choudary等人（2005）从我们的数据中可以得出两个可能的结论：（1）与胶质细胞相关的GS是正常的，因为GS在BD的病理生理学中没有显著作用，和/或（2）长期治疗该疾病后，GS表达“正常”（很可能上调）。考虑到后一种可能性，两个可能的因素可能增加了BD受试者大脑中GS的表达：服用锂(Kalkman，2011年)和抗抑郁药物治疗(Hashioka等人，2013年;刘等，2015). 然而，我们的计算并未揭示GS表达胶质细胞的数量密度与上述两个因素中的任何一个因素之间的显著正相关。因此，我们倾向于认为GS不是BD神经病理学的主要促成因素。然而，应该指出的是，与疾病相关的GS脑表达变化并不总是对谷氨酸-谷氨酰胺-GABA比率产生直接影响。因此，例如，据报道，患有精神分裂症的女性而非男性的前扣带回皮层中GS蛋白的强烈上调(Martins-de-Souza等人，2010年)然而，MRS在精神分裂症患者中未发现Glx比率的这种性别特异性变化(Rowland等人，2013年). 因此，显然需要进一步研究，以进一步了解谷胱甘肽对大脑中谷氨酸代谢物的影响。

结论

在MDD但在BD中，皮质GS蛋白表达存在胶质细胞类型特异性（星形胶质细胞）减少，这可能构成MSR研究中报告的MDD受试者皮质低Glx水平的细胞相关性。

作者贡献

H-GB分析了数据，研究、撰写并编辑了手稿。GM-L分析了数据。HD进行了统计计算，并为摄影做出了贡献。JB分析了数据。JS撰写并编辑了手稿。MW撰写并编辑了手稿。BB撰写并编辑了手稿。

利益冲突声明

作者声明，该研究是在没有任何可能被解释为潜在利益冲突的商业或金融关系的情况下进行的。

致谢

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