TAR DNA结合蛋白43 kDa（TDP-43）主要调控基因表达，其突变导致星形胶质细胞和小胶质细胞的激活，驱动多种神经炎症，诱发神经元死亡和过度的突触修饰。研究反应性小胶质细胞的分子机制及其对突触功能的影响，可能有助于疾病的早期干预。
有氧运动可增强成人神经发生，从而提高突触可塑性。近年来，包括代谢因子或肌因子等外周衍生因子的作用受到重视，它们可能穿透血脑屏障（BBB）来调控脑微环境。比如，耐力训练可调整小胶质细胞状态，以缓解神经退行性疾病，如阿尔茨海默病（AD）。
在此背景下，2023年3月15日，暨南大学闫森课题组与张力课题组在Cell Reports发文揭示了体育锻炼通过调节小胶质细胞补体通路缓解TDP-43小鼠的皮质回路缺陷。
首先，课题组将表达突变的人TDP-43（M337V）的AAV载体双侧感染到小鼠M1中，建立了一个皮质模型。免疫荧光共标记显示>80%的皮质神经元表达TDP-43。行为学结果显示：TDP-43小鼠在加速旋转测试中的跌落延迟缩短，其完成垂直攀爬和平衡木行走的时间延长，表现出运动学习缺陷。钙成像结果显示：TDP-43小鼠的第5层锥体神经元（L5 PNs）钙活动频率升高，即TDP-43导致皮质PNs的过度同步化和过度激活。此外，对照组小鼠学习过程中钙活动逐渐减少，而TDP-43缺陷鼠没有明显的钙活动变化，即在学习过程中神经参与较少，暗示皮质-纹状体环路异常。
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免疫染色结果显示：TDP-43鼠GABAergic PV 中间神经元（INs）数量减少，暗示兴奋-抑制（E/I）平衡被破坏。体内成像显示，TDP-43感染显著降低了PV IN的轴突扣（与L5 PNs的顶端树突形成的突触）钙活性。ELISA显示：谷氨酸脱羧酶65 kDa（GAD65）的表达降低。将GABA直接应用于TDP-43小鼠后，其L5 PNs的过度同步性得到缓解，同时单个神经元的钙活性降低。这些数据说明TDP-43过表达后抑制网络下调。
进一步的免疫染色显示小胶质细胞群细胞密度（Iba1+）和反应性（CD68+）都增强。延时图像分析显示，TDP-43小鼠的小胶质细胞逐渐向PV INs迁移并将其吞噬。用CSF1R抑制剂PLX5622降低TDP-43过表达后的小胶质细胞数量可恢复PV INs的密度。这些结果突出了TDP-43突变体内小胶质细胞的激活和对PV INs的吞噬。
随后，课题组对TDP-43小鼠进行了14天的跑步机训练，发现胶质细胞的激活和PV IN的吞噬在锻炼后均受到抑制。形态学研究显示，体育锻炼缓解了小胶质细胞的变形和胞体增大，部分补偿了TDP-43组小胶质细胞的肥大。此外，运动减缓了小胶质细胞的异常迁移速度。
为了观察小胶质细胞信号通路对神经元功能的影响，课题组在双光子显微镜下记录了PV INs和L5 PNs的钙活性。发现体育锻炼增强了TDP-43小鼠皮质PV INs的钙活动，这进一步抑制了L5 PNs的神经元间相关性，并缓解了它们的过度激活。此外，皮层神经网络的恢复进一步改善了运动学习缺陷。这些结果表明运动训练通过调控神经胶质-神经元的串扰来预防皮质功能障碍。
体育锻炼主要影响外周组织，这些组织可能分泌特定的细胞因子来调节大脑功能。分子图谱分析显示：在补体途径的主要抑制剂中，只有丛生蛋白显著增加。此外，长期注入丛生蛋白模拟了运动对炎症和行为学的调控效果，而丛生蛋白抗体的应用消除了对TDP-43小鼠体育锻炼后的运动效果。
随后，课题组研究了循环丛生蛋白的外周来源，发现只有性腺脂肪组织在运动后显示出基因表达的增强。课题组由此静脉注射了一个脂肪组织特异性的AAV载体（hAdp启动子）来敲除丛生蛋白基因的表达，发现丛生蛋白缺陷消除了体育锻炼对小胶质细胞的失活和PV IN的保留效应及运动学习作用。这些结果说明脂肪细胞来源的丛生蛋白调控运动皮质功能。
总的来说，本文揭示了体育锻炼可通过上调脂肪细胞来源的聚类蛋白的表达缓解TDP-43介导的小胶质细胞的过度激活和皮质E/I失衡及运动功能障碍。这些数据为突变体TDP-43的神经病理学提供了更多的见解，并肯定了体育锻炼治疗脑疾病的可信度。
https://doi.org/10.1016/j.celrep.2023.112240
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