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近日，成都中醫藥大學針灸推拿學院王軍蒙助理研究員（第一作者），吳巧鳳研究員（通訊作者）團隊在CNS Neuroscience & Therapeutics雜志在線發表了題為“Peripheral inflammation triggering central anxiety through the hippocampal glutamate metabolized receptor 1 ”的研究論文，作者通過建立DSS誘導的小鼠結腸炎模型，發現腸道炎癥與焦慮行為密切相關，并通過行為學測試證實了DSS處理顯著提高小鼠焦慮水平。作者還使用TLR4抑制劑TAK-242減輕炎癥，發現小鼠的焦慮行為得到改善。接著，研究團隊利用空間轉錄組學（ST）分析揭示結腸炎模型小鼠海馬體中谷氨酸突觸過度活躍導致興奮/抑制失衡，下調海馬體GRM1表達可恢復海馬谷氨酸突觸興奮/抑制平衡，從而減輕小鼠的焦慮樣行為。研究成果揭示了外周炎癥通過海馬體谷氨酸突觸和GRM1的過度激活誘發焦慮，為潰瘍性結腸炎伴發焦慮的中樞機制提供了新見解。

為探討潰瘍性結腸炎（UC）與焦慮之間的關系，作者構建了結腸炎小鼠模型，并通過曠場測試（OFT ）和高架十字迷宮（EPM）檢測了外周炎癥致焦慮作用（圖 1A）。結果表明，在曠場實驗中，與對照組小鼠相比，DSS誘導的結腸炎小鼠在中心區域花費的時間（圖 1B、C），進入中心區域的頻率（圖 1D）、直立時間（圖 1E）和次數（圖 1F）有所減少。EPM 結果顯示，DSS 誘導結腸炎小鼠在開臂的停留時間（圖 1G、H）、進入開臂的次數顯著降低（圖 1I）。這些結果表明給與DSS顯著增加了小鼠的焦慮樣行為。

圖1：DSS 誘導小鼠焦慮樣行為的產生

進一步通過腹腔注射TAK-242（一種TLR-4的選擇性抑制劑），觀察抑制炎癥是否可以改善結腸炎小鼠的焦慮樣行為。發現與DSS+Vehicle組相比，不同劑量的TAK-242（5mg/kg和10mg/kg）顯著抑制結腸炎小鼠結腸長度的縮短和體重的減輕，并改善了DAI評分。并且，與5mg/kg組相比，10mg/kg組對結腸炎有更明顯的改善作用。更重要的是，與 DSS + Vehicle小鼠相比，TAK-242 顯著減輕了結腸炎小鼠的焦慮樣行為，正如行為學結果反映，小鼠在曠場中心區域的停留時間（圖2A-D）、直立時間（圖2E）、直立次數（圖2F）以及在EPM 中開臂的時間增加（圖2H-J）。

圖2：TAK-242改善小鼠的焦慮樣行為

海馬與中樞炎癥調控及情緒調節密切相關，為進一步研究結腸炎小鼠海馬體的變化，作者對UC小鼠腦空間轉錄表達譜進行了研究。從對照組和DSS組腦組織的兩個ST數據集中，總共獲得了覆蓋組織樣本的5731個捕獲位點（對照，2994 spots；DSS，2737 spots），對應于總共18個簇（Cluster）。

圖S3：海馬空間轉錄組

作者根據簇與大腦解剖結構之間的對應關系獲得了每個樣本的海馬體spots，并將Cluster 6、11和13共同定義為海馬體(圖3A-B)，隨后通過與已發表的成年小鼠大腦分子圖譜（MAMB ）對齊驗證了大腦區域劃分的準確性（圖 3C、圖 S5）。與作者的研究結果一致，MAMB（圖S6）顯示Wipf3、Hpca和Ddn在整個海馬中高表達，而cluster 6（Itpka、Fibcd1、Spink8）、11（Cabp7、Homer3、Hs3st4）和13（C1ql2、Fam163b、Dsp）的標記基因分別在 CA1、CA3 和 DG 區域具有特異性。這些結果表明作者團隊建立了可靠的海馬空間基因表達譜，可用于后續的差異分析。

圖3：空間轉錄組分析揭示結腸炎小鼠海馬谷氨酸突觸信號傳導的異常激活。

圖S5：海馬的聚類分析

作者使用edgeR軟件在海馬區域鑒定了235個差異表達基因，其中212個基因在DSS組上調。功能分析表明這些上調基因主要富集在膜去極化、突觸傳遞和谷氨酸能等生物學進程。考慮到中樞神經系統突觸平衡與行為的關系，作者進一步分析了海馬組織中谷氨酸和GABA能突觸的評分。結果顯示，DSS 組的海馬谷氨酸能突觸信號顯著激活（圖 4A-B，E），而 GABA 能突觸信號在兩組之間沒有差異（圖 4C-D，F）。根據 GSVA 得分中位數，將每個點分為高谷氨酸能/ GABA能和低谷氨酸能/ GABA 能四類，并計算它們在兩組中的比例。DSS組中高谷氨酸能點的比例（68.3%）是CON組（32.3%）的兩倍多，而DSS組中高GABA能點的比例（56.6%）僅比CON (43.6%) (圖 4G, H)組高13%。然后作者將高谷氨酸能點和低GABA能點定義為興奮性spot；反之亦然作為抑制性spot。結果顯示，DSS組興奮性spot比例幾乎是CON組的兩倍，且增加的興奮性spot廣泛分布在整個海馬區，包括CA1、CA3和DG（圖4I）。這些結果表明海馬興奮/抑制失衡是外周炎癥誘發焦慮的潛在重要機制，谷氨酸突觸信號過度激活主要介導該過程。

圖4：海馬體的興奮/抑制失衡是由谷氨酸突觸信號傳導異常激活介導的

接著，作者檢查了兩組之間谷氨酸突觸信號傳導中核心差異基因的表達特征。在top差異基因中（倍數變化≥1.5）（圖5A），Grm1和Shank3（Src同源性3和多個錨蛋白重復結構域3）具有與谷氨酸突觸信號傳導相似的空間差異表達模式（圖5B）。由于大量研究報告GRM1在各種動物模型中誘發焦慮樣行為，研究團隊檢測了海馬體中Grm1的表達。RT-qPCR（圖5C）和IF（圖5D）結果顯示Grm1在結腸炎小鼠的海馬中顯著上調，表明它可能是外周炎癥誘導的焦慮樣行為的關鍵靶點。

圖5 ：GRM1 是增強結腸炎小鼠谷氨酸突觸信號傳導的關鍵分子

為驗證此假說，研究團隊設計了三種 shRNA并將它們克隆到腺相關病毒載體中以干擾模型小鼠海馬Grm1表達，以及對焦慮樣行為的影響。在HEK 293細胞中確定干擾效率更高的候選shRNA2后，在 DSS誘導結腸炎模型前3周將 AAV-Grm1-shRNA注射到海馬中（圖 6A）。待確定了病毒對海馬GRM1的抑制作用后（圖6B-C），檢測了AAV-Grm1-shRNA對焦慮樣行為的影響。結果表明，與結腸炎小鼠相比，AAV-Grm1-shRNA組在曠場實驗中顯著增加了小鼠中心區域的停留時間、進入中心區域的頻率、直立時間和直立次數（圖 6D-G）。高架十字迷宮實驗中，AAV-Grm1-shRNA組進入開臂的時間和進入頻率（圖6H-I）也明顯增加。更重要的是，TAK-242顯著逆轉了DSS誘導小鼠海馬GRM1的上升趨勢（圖6J，K）。

圖6：海馬AAV-Grm1-shRNA注射改善DSS誘導的結腸炎小鼠的焦慮樣行為 

圖7：海馬GRM1介導DSS結腸炎小鼠焦慮樣行為

該研究通過建立DSS誘導的結腸炎小鼠模型，并采用空間轉錄組學和病毒干擾技術，發現結腸炎小鼠的海馬區存在谷氨酸突觸的過度激活誘發的興奮性/抑制性失衡。此外，研究還發現海馬區的谷氨酸代謝受體GRM1是炎癥誘導焦慮樣行為的關鍵分子。該研究不僅揭示了腸道炎癥與焦慮之間的雙向腦腸聯系，還為治療結腸炎相關的精神或情緒異常提供了新的見解和策略。