通过鼻部活检联合激光显微切割获取的嗅觉神经元：研究精神疾病治疗反应的一种潜在方法

摘要

本研究开发并验证了一种用于研究双相情感障碍（BD）治疗反应神经元内分子特征的新平台。通过鼻腔活检获取双相情感障碍（BD）患者的嗅觉上皮组织，随后结合激光捕获显微切割与实时逆转录聚合酶链反应（Real Time RT PCR），分析锂盐治疗在双相情感障碍中的分子特征。

摘要

双相情感障碍（BD）是一种严重的神经精神疾病，其病理生理机制尚未完全阐明，通常使用情绪稳定剂碳酸锂进行治疗。动物研究以及人类遗传学研究均表明，锂可影响参与神经元生长、存活和成熟过程的分子靶点，尤其是Wnt信号通路中的相关分子。由于在中枢神经系统（CNS）中获取脑组织活检以研究锂治疗反应相关的动态分子变化存在伦理挑战，因此可考虑利用嗅觉组织来源的神经元来实现这一目标。嗅觉上皮包含处于不同发育阶段的嗅觉感受神经元以及类似胶质的支持细胞，这为通过鼻腔活检安全获取的嗅觉组织来研究神经精神疾病患者中枢神经系统中的动态变化提供了独特机会。为了克服活检所得嗅觉组织中非神经元细胞污染严重的问题，本研究结合鼻腔活检与激光捕获显微切割技术，建立了一种获得富集神经元细胞群体的新方法。本研究建立并验证了一个用于研究治疗相关神经组织中动态分子变化的系统，所用样本为一项关于锂治疗反应分子机制研究中招募的小规模双相情感障碍患者队列。

引言

双相情感障碍（BD）是一种严重的神经精神疾病，其特征是情绪、动机和认知的病理性改变¹。动物研究表明，用于治疗BD的锂盐可改变大量基因的稳态mRNA水平²，但目前尚不清楚这些分子中是否有任何一种与人类的临床治疗反应相关²。要理解锂盐治疗反应的机制，需要研究锂盐在神经组织中诱导的分子变化。然而，在接受锂盐治疗前后获取BD患者脑组织活检样本以识别锂盐反应的分子特征并不可行。尽管已有研究使用死后脑组织来探索BD的生物标志物，但这些样本无法用于评估与情绪、认知和动机动态变化相关的分子标志物；此外，回顾性确定的锂盐治疗反应的准确性可能存在疑问⁴。淋巴细胞和其他血细胞可能具有一定用途，但血细胞中的分子变化可能无法反映神经元的改变^3-5。脑脊液可能不足以提供有关细胞内分子的信息，而这些分子可能反映疾病相关且药物可逆的内在变化。

嗅觉上皮（OE）是中枢神经系统（CNS）中一个独特的部分，在胚胎发育上与边缘系统结构相关⁶；并且可通过鼻腔活检轻松获取。它由胶质细胞样支持（即， 支持细胞、基底增殖细胞以及处于不同发育阶段的嗅觉感受神经元^7-9因此，OE为便捷地研究神经精神疾病患者中枢神经系统（CNS）的动态变化提供了独特的机会⁷研究表明，食管上皮（OE）可作为替代组织，用于研究与脑神经元中发生事件相关的疾病过程。^8,9例如，已有研究利用OE探究与精神疾病相关的分子谱型^10-14嗅觉系统还可用于识别临床内表型，例如与精神分裂症阴性症状相关的嗅觉功能减退¹⁵此外，嗅觉上皮中的神经发育过程在个体一生中持续进行，为模拟精神疾病潜在的病理生理机制提供了一个有用的途径。^8,9.

然而，使用该组织的一个缺点是嗅觉活检样本中存在大量非神经元细胞的污染¹⁶。例如，以往嗅上皮（OE）研究中用于基因表达分析的总RNA，其来源为整个鼻腔活检组织，其中包含来自非神经元细胞的RNA¹⁷。因此，以往的研究方法受限于细胞质量。为解决这一问题，目前已开发出一种新方法，将鼻腔活检与激光捕获显微切割（LCM）技术相结合，以获得神经元细胞富集的样本¹⁸。

激光捕获显微切割（LCM）是一种利用紫外激光切割结合红外激光实现细胞选择性分离的技术^19-21。将LCM与嗅上皮（OE）方法相结合，可最大限度减少非神经元细胞对OE的污染，从而提高神经元细胞的富集度¹⁸。此外，在显微镜下可清晰区分神经元层与黏膜下层，因此无需进行染色处理。还可利用特异性表达于目标细胞类型的初级抗体，进一步将神经元细胞类型与其他细胞群体区分开来⁷。因此，该方法建立了一种更为简便的技术途径，可用于富集近乎纯化的神经元细胞群体，适用于基因表达研究、免疫组织化学及其他形态学分析。

本研究旨在建立一个实验平台，用于研究与疾病状态及治疗反应相关的嗅觉神经元分子变化。为此，招募了一组符合基于《遗传学研究用诊断访谈》（DIG）²² 的 DSM-IV 双相情感障碍（BD）诊断标准的非吸烟患者，接受两次鼻黏膜活检：第一次在开始锂盐治疗前进行，第二次在每日口服锂盐治疗6周后进行。此外，符合条件的双相情感障碍患者必须满足以下至少一项标准：根据蒙哥马利-艾斯伯格抑郁量表（MADRS）²³ 临床评估得分在60分中≥10分，表现为抑郁症状；根据杨氏躁狂评定量表（YMRS）²⁴ 临床评估得分在56分中≥10分，表现为轻躁狂或躁狂症状；或在MADRS和YMRS两个量表上均≥10分。两种量表在临床医生之间的评分者间一致性系数为>0.96。活检后，通过激光显微切割（LCM）从嗅上皮（OE）中富集神经元。在实施额外的质量控制措施以确保从组织中提取高质量RNA并实现神经元富集后，采用实时逆转录聚合酶链反应（Real Time RT PCR）检测目标基因在治疗前后的表达水平。后续章节将描述该方法的验证过程，重点介绍实验方案的优化以及针对实验过程中问题所采取的解决策略。

方案

注意：本研究中的所有研究志愿者均签署了经霍华德大学和约翰斯·霍普金斯大学机构审查委员会批准的知情同意书。仅签署知情同意书的参与者被纳入研究。本分析的研究基线包括：20名受试者（12名双相情感障碍患者和10名对照组；30%为男性），平均年龄（标准差）为38.2（14.1）岁。
注意：使用RNase Zap喷洒所有表面，以去除玻璃和塑料表面的RNase污染。

1. 活检操作步骤

1. 在受试者的鼻腔内喷洒4%的表面利多卡因（赛洛卡因）液体和0.05%盐酸羟甲唑啉，静置15分钟以达到麻醉效果。
2. 将½ x 3英寸的外科棉片浸入利多卡因与羟甲唑啉混合液中，置于鼻中隔上部区域的鼻腔内，静置15分钟。
3. 使用30°刚性鼻内窥镜定位鼻腔上部区域，用向上咬合的鼻钳从鼻中隔上部去除鼻黏膜组织，采集数个小组织标本。

2. 组织块的制备

1. 活检前立即用组织冷冻介质填充标准尺寸的冷冻模具。
2. 使用已灭菌的镊子将新鲜组织置于冷冻介质中，并在干冰上速冻。用冷冻介质填满冷冻块的其余部分，在干冰上冷冻冷冻块，并将组织块储存在 -80ºC 条件下。

3. 冷冻切片

1. 在冷冻切片前立即准备聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN）膜载玻片。用RNase Zap溶液喷洒载玻片，作用5分钟，然后用焦碳酸二乙酯（DEPC）水冲洗，并静置晾干30分钟。将干燥后的载玻片置于紫外光下活化30分钟。
2. 将每个包埋块完全进行30 µm厚度的冷冻切片。切片过程中保持载玻片置于干冰上，并尽可能保持组织切片处于冷冻状态。切片完成后，将载玻片储存于-80 ºC条件下。

4. 激光捕获显微切割

1. 在显微切割前立即开始脱水处理。将冷冻切片放置使其解冻10秒，然后依次向每张切片加入以下浓度的乙醇：60%（2 ml，15秒）、80%（2 ml，15秒）、95%（3 ml，25秒）、100%（7 ml，60秒）。
2. 开启光激活定位显微镜（PALM）并设置如下条件：10倍放大时，能量设为82，聚焦设为74，速度设为25–30；20倍放大时，能量设为63，聚焦设为67，速度设为5–6。根据需要进行调整，以获得最佳切割效果。
3. 使用20倍或10倍物镜在显微镜下直接观察识别神经元。在未染色的情况下，区分表层纤细的嗅觉神经元层与下方的黏膜下层。神经元呈现致密的柱状排列特征¹⁸。
4. 在上述显微镜的步骤4.2中使用铅笔工具，围绕神经元层进行勾画。勾画时应略远离神经元边缘，以避免激光灼伤神经元，这对获得高质量RNA至关重要。随后启动激光引导切割。
5. 使用尖头显微解剖镊夹取切割下来的组织片段，放入含有100 µl裂解缓冲液并置于冰上的微量离心管中。对单个样本获得的所有神经元组织片段重复此操作。每个样本的总解剖时间不应超过50分钟。
6. 完成解剖后，立即涡旋震荡样本裂解液，并将样本置于干冰上。随后在-80ºC保存，用于总RNA提取。

5. 总RNA的提取与质量控制分析

1. 在冰上解冻样品裂解液。进行总RNA提取 使用RNAqueous Micro试剂盒，按照制造商提供的方案进行DNase-I失活，不作任何修改（参见 图1总洗脱体积约为 20 µl。
2. 使用Bioanalyzer测定RNA浓度并利用RNA完整性数（RIN）评估RNA质量。满足质量控制标准的样品 图2 可用于cDNA合成。

6. cDNA 合成

1. 使用经过验证的商用试剂盒合成 cDNA（参见试剂表）。通过将 0.1 - 1.0 ng 的 RNA（根据可用量确定）与无 RNase 水混合，使每管总体积达到 8 μl 进行退火步骤。然后每管加入 1 μl 的 oligo d(T)20 引物和 1 μl 的 10 mM dNTP 混合物，最终总体积为 10 μl。
2. 轻轻涡旋并离心样品，于 65 °C 退火 5 分钟。反应完成后，立即置于冰上冷却。
3. 根据表 1中的说明配制预混液。然后每管加入 9.5 µl 预混液和 0.5 µl 商业制备的逆转录酶（RT）。对照管中不加 RT，改为加入 0.5 µl 无 RNase 水。
4. 进行逆转录反应：首先在 50 ºC 孵育 50 分钟，然后在 85 ºC 孵育 5 分钟，最后在 4 ºC 保持，无需循环。
5. 用纯水将所有样品稀释 5 倍后分装。样品储存于 -80 ºC。

7. 实时 PCR——确认神经元富集

1. 根据表2中的说明配制主混合溶液。使用GAPDH等内参对照。通过比较显微切割组织与未切割组织中嗅觉标记蛋白（OMP）的表达，以确定神经元的富集程度。
   注：OMP是嗅觉神经元的标记物。
   OMP序列：上游引物，5’-CTGTCGGACCTGGCCAAG-3’
   下游引物，5’-CACCCTCGCCAAAGGTGA-3’
   GAPDH序列：上游引物，5’-CATGAGAAGTATGACAACAGCCT-3’
   下游引物，5’-AGTCCTTCCACGATACCAAAGT-3’。
2. 在PCR板的每个孔中加入7 µl主混合液和3 µl cDNA，完成加样。
3. 将PCR板在300 × g（1,300 rpm）条件下离心5分钟。使用商业预混液（如SYBR GreenER qPCR）所指定的默认热循环条件运行实时PCR反应。
4. 分析数据（详见图2中的说明）。

8. 实时 PCR——目的基因的表达分析

1. 对显示神经元富集程度达到2倍或以上的样本进行操作。
2. 根据表3中的说明，在冰上为每个探针（目标FAM标记探针和VIC标记的GAPDH）分别配制主混合液。
3. 在PCR板的每个孔中加入8 µl主混合液和2 µl cDNA，进行设置。
4. 将PCR板在300 × g（1,300 rpm）下离心5分钟。按照试剂生产商提供的基因表达主混合液说明书中的默认热循环条件运行实时PCR反应。分析表达结果（详见图2中的说明）。

结果

在分子特征研究中，实验方案及故障排除策略已成功优化。用于后续下游实时定量 PCR 分析的样本，其 RNA 质量和神经元富集标准已实现标准化。RIN 值和 RNA 浓度被评估为影响检测表达水平的混杂因素。通过对 RIN 值范围为 1 至 10 的多个样本进行分析，确定本研究中下游分析所需的最低 RIN 值约为 3.0 或更高。因此，cDNA 合成所用的 RNA 量被标准化为 1.0 ng。据此，RIN 值高于约 3.0 且 RNA 量为 1.0 ng 的高质量样本被用于 cDNA 合成。若难以获得足够样本量，RNA 量在 0.1 至 1.0 ng 范围内的样本也可使用。

使用实时荧光定量PCR分析确认神经元富集效果。通过比较显微切割样品与未切割样品中OMP基因的表达水平，以确定神经元层是否得到富集。选择OMP表达水平较未切割组织高两倍或以上的显微切割样品用于后续实验。

因此，通过应用这些标准，验证了该方法用于研究嗅觉上皮神经元中分子变化的可行性。图3表明，GSK-3β的表达水平受锂盐影响，而非非...

讨论

本研究介绍并验证了一种结合鼻黏膜活检与激光显微切割技术（LCM）以获取富集嗅觉神经元层的新平台。该技术具有广泛的应用前景，可应用于生物标志物研究，包括治疗反应相关研究，以及针对其他神经精神疾病的药物研发，从而在该领域产生更广泛的影响。

为了获得适用于下游应用的高质量神经元，必须注意几个关键步骤和故障排除要点。首先，每位患者应获取 4 至 6 块嗅觉组织，以确保足够的样本量。其次，由于样本容易发生 RNA 降解，需将组织保持在适当的温度下，使用无 RNase 的设备和操作台面，佩戴手套，并避免直接向样本上方呼吸。如果 RNA 质量仍然较低，可考虑在 50 分钟内完成显微切割，并在解剖后立即进行 RNA 提取，或立即涡旋样本并置于干冰上，直至储存于 -80 °C。为提高 RNA 产量，可在激光显微切割（LCM）过程中增加切片数量。

由于难以获取人脑组织，研究神经精神疾病中脑部相关分子变化面临挑战。替代方法包括研究外周血细胞、尸检脑组织和诱导性多能干细胞（iPS细胞）。然而，外周血细胞可能无法代表疾病相关的神经元变化；尸检脑组织无法...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
组织制备
Tissue-Tek Cryomold 模具	Sakura Finetek	4557
Tissue-Tek O.C.T. 包埋剂	Sakura Finetek	4583
冷冻切片
膜片 1.0 PEN (D)	Carl Zeiss Microscopy	415190-9041-000
RNase Zap	Ambion	AM9780
DEPC 处理水	Quality Biological	351-068-131
显微切割
显微镜：PALM 系列 MicroLaser 系统	Carl Zeiss Microscopy		型号：Axiovert 200M 软件：Robo v3.2
No. 5 Dumont 显微解剖镊	Roboz	RS-49085
RNA 提取
RNAqueous Micro 试剂盒	Ambion	AM1931
cDNA 合成
SuperScript III 第一链合成试剂盒	Invitrogen	18080-051
OMP qPCR
SYBR GreenER qPCR SuperMix	Invitrogen	11760-500
TaqMan qPCR
TaqMan 基因表达检测探针	Applied Biosystems	多种
TaqMan 基因表达主混合液	Applied Biosystems	4369016