神经系统疾病中的脂质组学和转录组学

脂质功能及其在神经系统疾病发病和进展中的作用的最新进展为新治疗靶点和疾病机制的阐明开辟了新的研究和开发场所¹。现代分子成像技术（如质谱成像和高级质谱分析）强调了不同大脑区域脂质组成的记录差异，将脂质研究的范式从整个大脑转向功能上不同和离散的大脑区域。脂质组成在不同大脑区域变化的事实促使人们对膜脂质敏感性和下游脂质信号传导的新概念化，以响应功能上不同的大脑区域的脑损伤或刺激。因此，脂质方案需要新的发展来解决低组织量的挑战，以进行更高的空间分辨率检测和定量，同时分析细胞膜和信号通路的多种脂质成分。此外，测定参与调节其水平和功能的酶、脂质配体和受体对于阐明神经系统疾病中受影响的信号通路和指导病理生理学背景下的新机制研究至关重要。

除了增加的大脑空间分辨率外，还有两个主要困难挑战着新的神经脂质组学方法的发展。首先，与膜构成性脂质相比，脂质信号分子的丰度通常非常低。其次，脂质组表现出很高的结构异质性，难以使用单一的分析方法进行解剖。因此，提取和分析方法针对不同的脂质类别量身定制，通常在不同的组织样品中进行².霰弹枪脂质组学方法³ 是快速揭示膜脂质的广泛特征的极好工具，而靶向发现和定量质谱方法提供的增强灵敏度和选择性被用于研究低丰度信号脂质，包括：i）炎症脂质和ii）参与调节神经元活性的脂质，如内源性大麻素（eCBs），氨基酸连接脂质， 等。^4,5.为了涵盖神经系统疾病模型的大脑区域中发生的细胞膜和信号传导水平的脂质变化，通常脂质提取和分析在不同的组织样品中进行，从不同的动物批次或不同的半球获得，或者通过将较大的组织区域解剖成多个部分。当酶受体的mRNA水平也令人感兴趣时，他们的研究通常需要采购不同的组织样本。例如，膜脂质、内源性大麻素和mRNA的研究将需要三种不同的组织样品（例如，两种脂质提取方法的两个样品 – 膜脂质和信号脂质 – 以及随后的两种脂质分析方法 – 以及一种用于mRNA分析的样品）。炎症性脂质和内源性大麻素的研究需要两种不同的组织样本，分别是提取方法和分析方法。另一个例子是脑冲床或激光显微切割样品中mRNA和任何脂质类别的研究，因此需要两个不同的动物在每个大脑（子）区域采购两个样品。在这种情况下，由于生物变异性和/或组织异质性，结果的可变性和/或可重复性差经常发生。在多分子分析的这些实际局限性的指导下，特别是在大脑中的高空间分辨率下，设计了一个三模块神经脂质组学方案，包括：1）通过LC / MRM共吸和共分析炎症脂质（例如，类二十烷酸（eiCs））和参与调节神经元活性的脂质，例如eCBs²;2）磷脂（PLs）和eCB的共萃取，随后进行多重扫描LC / MRM和前体/中性损失扫描分析²;3）膜（磷酸）脂质和eCBs以及mRNA的双重提取，随后进行LC / MRM和qPCR或RNA测序分析⁶.根据神经系统疾病中要解决的生物学问题和感兴趣的大脑区域，第一和第二方案的组合，或第一和第三方案的组合，可以应用于重量约为4mg的组织的同一组织标本。第一和第三方案可以独立应用于2mg左右的组织。第二种方案可应用于重量低至0.5mg的组织。无论选择哪种神经脂质组方案模块，组织采样和预分析处理、脑分离和区域解剖以及牺牲动物模型的程序对于方案的所有三个模块都是标准化和相同的。在我们对神经系统疾病的调查中，与疾病的病理后果相关的外周器官也总是使用这些模块化方案进行收集和分析。此外，定期对血液进行血浆脂质组学采样，以作为神经系统疾病的读数工具，以期进行前瞻性的转化应用。这里提出的模块化脂质组学方案非常通用：可扩展到更大的组织量，并且易于适用于几乎任何组织类型和疾病。用于模块化协议（图 1在神经系统疾病中，任何神经系统疾病（如创伤性脑损伤，帕金森病，阿尔茨海默病或癫痫）的发病和进展的标准化啮齿动物模型都是可以接受的。

这些方案已被广泛用于研究凯尼克酸（KA）诱导的癫痫小鼠模型中癫痫急性期组织脂质组和/或转录组的变化^2，7，由于与人类颞叶癫痫（^{TLE）相似，}该模型广泛用于临床前研究8，^9，10，11。使用这些方案，在同一个癫痫小鼠模型中评估了棕榈酰乙醇酰胺（PEA）^12，13等药物的治疗潜力。该研究确定了大脑和外周，在最大急性癫痫发作强度的时间点（在癫痫发作后60分钟诱导时）以及在KA癫痫发作诱导后的四个不同时间点（20，60，120和180分钟）用PEA进行亚慢性和急性治疗时，脂质和mRNA在高空间分辨率和低空间分辨率下的变化，这是一个覆盖癫痫急性期的时间窗口。在每个时间点收集未经处理的KA注射小鼠，急性和亚慢性PEA处理小鼠以及载体和PEA载体对照小鼠的血浆，大脑和外周器官^12，13，并通过该分子分析进行研究。分子数据与通过癫痫发作评分获得的行为表型以及神经退行过程的免疫组织化学衍生数据相关，以揭示急性癫痫期的进展和PEA缓解它的潜力。