研究背景
🔸 瘦素是由脂肪细胞分泌的激素，通过下丘脑调控能量平衡。瘦素基因（ob）突变会导致严重肥胖、产热缺陷和脂肪分解障碍，这些功能均受交感神经系统（SNS）调控。 急性瘦素治疗虽能抑制食欲，但无法恢复产热和脂解功能；而长期瘦素治疗可逆转这些异常，但其机制未知。
🔸 瘦素如何通过中枢神经系统调节脂肪组织的交感神经支配？
🔸 这种神经可塑性如何影响代谢功能？
研究内容
研究人员首先对实验动物进行分组，共四组（图1a）:
（1）ob/ob PBS组：通过渗透泵给予PBS持续14天，第16天给予单剂量PBS。
（2）ob/ob 慢性瘦素组：通过渗透泵给予瘦素（400 ng/h）治疗14天，第16天给予单剂量PBS。
（3）ob/ob 急性瘦素组：通过渗透泵接受PBS治疗14天，随后在第16天给予急性剂量（3mg/kg）瘦素。
（4）野生型（WT）对照组：通过渗透泵给药PBS 14天，第16天给药PBS单次。
取出泵2天后（第16天），对四组小鼠进行低温暴露（4°C 4小时）或禁食（36小时），以评估其产热或脂溶反应。
图2. 急性与慢性瘦素处理对ob-ob小鼠热生成和脂质动员的不同影响
瘦素调节脂肪组织的交感神经支配
棕色脂肪组织（BAT）的产热和白色脂肪组织（WAT）的脂肪分解是由交感神经系统（SNS）调节的。于是作者提出假设：瘦素影响脂肪组织中交感神经结构变化。
结合组织透明化三维成像技术，在ob/ob小鼠（瘦素基因（Lep）发生突变，导致瘦素表达异常，无法正常合成和分泌瘦素）、db/db小鼠（LepR基因突变，瘦素受体表达异常，以至于瘦素不能正常与受体结合LepR基因突变，瘦素受体表达异常，以至于瘦素不能正常与受体结合）和野生型（WT）小鼠中观察iWAT的交感神经，由于棕色脂肪难以透明，于是在脱脂切片中观察BAT的交感神经。结果观察到，成年和青少年ob/ob小鼠的腹股沟白色脂肪组织（iWAT）和BAT中的交感神经显著减少，db/db小鼠中也发现了同样的现象，即，小鼠的脂肪组织交感神经支配受到了显著影响。（图1f-g, 图3a-d）
图3. 脂肪组织中交感神经支配的缺陷
在功能方面，电生理记录显示，与PBS处理的ob/ob小鼠相比，经过慢性瘦素治疗的ob/ob小鼠在BAT和iWAT中的基础交感神经活动（SNA）显著增加(图1l-m)。在冷暴露后，慢性瘦素治疗组的交感神经活动反应相对于基线显著高于对照组(图4l)。这表明慢性瘦素治疗不仅增加了基础SNA，还增强了对冷暴露的交感神经反应。从瘦素治疗的ob/ob小鼠中分离出的BAT和iWAT组织切片的氧气消耗显著高于PBS处理或配对喂养的对照组(图4m-n)。这表明瘦素治疗不仅影响了交感神经活动，还提高了脂肪组织的代谢活性。
综上所述，瘦素缺乏的ob/ob小鼠脂肪组织的交感神经支配显著减少，并伴有功能异常。慢性瘦素治疗增加了基础交感神经活动，增强了对冷暴露的交感神经反应，并提高了脂肪组织的氧气消耗，从而改善了能量代谢。
图4. 配对喂养的ob-ob小鼠的生理学、瘦素治疗时间进程及恢复神经支配的功能影响
交感神经支配通过下丘脑弓状核(ARC)进行调节
由于瘦素的主要作用部位是大脑，这指出交感神经支配可能受到中枢神经系统（CNS）的自上而下的传出信号的调节。以此为理论基础，作者以ob/ob小鼠为实验对象，通过人工脑脊液的方式，将瘦素以12 ng/h的低剂量持续注射瘦素，持续时间为14天注射进入小鼠脑室，对照组改为注射同剂量的空白溶液，使其作用于中枢神经系统。脑室内注射瘦素14天后，ob/ob小鼠的iWAT和BAT中的交感神经支配显著增加，表现为酪氨酸羟化酶（TH）阳性神经纤维的密度增加。这表明瘦素通过作用于中枢神经系统，特别是ARC中的瘦素受体，能够直接调节脂肪组织的交感神经支配，从而可能影响能量代谢和体重调节。(图5a-b, 图6a-b)。
图5. 瘦素通过下丘脑弓状核（ARC）的中枢信号传导来调节皮下脂肪组织的交感神经支配
接下来，作者通过喂食 60% 高脂饮食(HFD)4个月的小鼠中观察脂肪组织是否神经支配的改变。随着高脂饮食，小鼠逐渐出现瘦素抵抗，且交感神经支配减少(图5i-k, 图6p-q).在4个月的高脂饮食喂养过程中，这些小鼠对瘦素的敏感性逐渐降低，即变得越来越瘦素抵抗，瘦素的生理效应减弱。在急性瘦素处理后，DIO小鼠体内仅出现低水平的STAT3磷酸化（图5k）。表明瘦素信号传导在DIO小鼠中受到部分抑制。DIO小鼠的皮下脂肪组织（subcutaneous adipose depots）中，交感神经支配显著减少。这表明高脂饮食诱导的肥胖不仅影响代谢功能，还改变了交感神经系统对脂肪组织的调控作用。尽管DIO小鼠的交感神经支配有所减少，但并未降至与ob/ob小鼠（瘦素基因缺陷导致严重肥胖的小鼠模型）相同的水平。这可能是因为在DIO小鼠中仍存在一定程度的瘦素信号，尽管其效率降低。
图6. 瘦素通过下丘脑弓状核调节皮下脂肪组织的交感神经支配
图7. 下丘脑弓状核中的阿格皮相关肽（AGRP）和促黑色素皮质素（POMC）神经元调节瘦素依赖性的脂肪组织交感神经支配
PVH中的BDNF阳性神经元对神经支配的重要性
BDNF信号通路调节能量消耗，BDNF基因的突变以及其受体TrkB基因的单倍剂量不足会导致肥胖，此外，脑室内给予BDNF可增加db/db小鼠棕色脂肪组织中去甲肾上腺素的周转率和UCP1的表达，这提示BDNF可能会调节脂肪的交感神经支配。为了调查BDNF是否是神经支配再生的必要因素，作者对小鼠进行了BDNF连续侧脑室给药十四天，每天24 μg/ kg，以验证BDNF对神经支配的修复作用。结果，iWAT和BAT中的迷走神经显著增加。(图8a-b, 图9a-b)
之后，作者对ob/ob小鼠进行瘦素处理，同时分两组分别给予或不给予TrkB 拮抗剂 K252A，用于测试BDNF信号通路对瘦素介导神经再生的必要性。结果显示，BDNF拮抗剂钝化了瘦素介导的迷走神经系统的神经再生，同时减少了瘦素介导的体重减轻。(图8c-d，图9c )，其他腹腔注射的拮抗剂ANA12也出现同样的结果。(图9d-e)
这些结果表明，一群表达BDNF的神经元在ARC的AGRP和POMC神经元下游调节交感神经支配。为了确定这个假设的BDNF表达群体，作者向BDNF-IRES-Cre::LSL-GFPL10小鼠的脂肪组织中注射PRV-mCherry。结果发现，PVH是第一个显示出GFP（BDNF）和mCherry（PRV）广泛共定位的大脑区域(Fig. 4e)。瘦素治疗导致PVH中BDNF阳性神经元的FOS阳性率增加50%，在切片中结果显示PVH中BDNF mRNA表达增加两倍(Fig. 4f–h, Extended Data Fig. 7f)。这些神经元并不直接表达LepR，这表明并不直接受到瘦素调控。
接下来，作者将表达Cre重组酶的AAV（AAV-GFP-Cre）双侧注入Bdnffl/fl小鼠的PVH中，来敲除PVH神经元中的Bdnf基因。12周后，PVH特定敲除BDNF导致在iWAT和BAT中显著性的神经支配减少，并伴随着轻微的体重增加。
图8. BDNFPVH神经元在下丘脑弓状核的下游调节交感神经支配
图9. BDNFPVH在瘦素信号通路的下游调节交感神经支配
编文：黄义源
排版：安晓鹏
校稿：田根根
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