孕期接触咖啡因会通过糖皮质激素驱动的表观遗传级联反应影响神经发育，这种反应会抑制星形胶质细胞的ABCG1蛋白和胆固醇转运功能

《Metabolism》：Prenatal caffeine exposure impairs neurodevelopment via glucocorticoid-driven epigenetic cascade suppressing astrocytic ABCG1 and cholesterol transport

　　孕期咖啡因暴露通过激活母胎糖皮质激素轴，导致GR-miR-130b/301b-PPARγ-ABCG1信号通路失调，抑制神经元胆固醇供应，引发海马区突触发育异常和终身行为缺陷。

　　

戴高磊|罗明翠|戴世云|周新丽|朱森|卢梦曦|韩晓毅|杨芳|余颖|王辉|徐丹

武汉大学药学院中南医院妇产科，中国武汉

摘要

背景

产前咖啡因暴露（PCE）由于母亲广泛摄入含咖啡因的物质而成为影响胎儿神经发育的主要药物压力源。尽管流行病学研究一致表明PCE与后代的认知障碍和情绪缺陷有关，但其潜在机制长期以来仅限于直接拮抗腺苷受体，无法解释持续的神经发育后果。通过使用跨物种模型（大鼠PCE模型、星形胶质细胞特异性Abcg1基因敲除小鼠和接受糖皮质激素处理的斑马鱼）和多尺度分析，我们证明PCE激活了母体-胎儿糖皮质激素轴，导致海马区星形胶质细胞中的GR-miR-130b/301b-PPARγ信号级联失调。这破坏了胆固醇转运蛋白ATP结合盒亚家族G成员1（ABCG1）的表达，阻碍了星形胶质细胞的胆固醇外排，使神经元缺乏对突触发育至关重要的富含胆固醇的微环境。Abcg1基因敲除小鼠再现了PCE引起的突触缺陷，而星形胶质细胞特异性ABCG1过表达或miR-130b/301b抑制则恢复了神经元的胆固醇供应和突触结构。荧光素酶测定证实miR-130b/301b直接抑制Pparγ介导的Abcg1转录。我们的发现确定了GR-miR-130b/301b-PPARγ-ABCG1轴是PCE诱导的神经毒性的核心机制，确立了星形胶质细胞胆固醇转运作为潜在干预靶点，并为评估糖皮质激素干扰剂对中枢神经系统的风险提供了共同的分子框架。

引言

咖啡因作为全球使用最广泛的中枢神经系统（CNS）兴奋剂，由于其在膳食补充剂、复合止痛药和神经兴奋剂药物中的普遍存在，成为产前药物暴露的主要来源[1,2]。流行病学监测显示，约80%的孕妇继续摄入这种精神活性化合物，平均每日摄入量为227毫克，其中相当一部分超过500毫克/天[3, [4], [5]]。作为一种容易穿过胎盘屏障的小分子药物，咖啡因在神经发育的关键窗口期对胎儿CNS构成程序性损伤的风险，这是发育毒理学领域的一个紧迫科学挑战。 多项出生队列研究表明，产前咖啡因暴露（PCE）显著增加了后代认知障碍（如执行功能和工作记忆缺陷）以及情绪障碍（包括类似焦虑的行为）的风险[6, [7], [8]]。临床前研究进一步表明，PCE会导致海马区突触可塑性缺陷、抑制神经发生并激活凋亡信号通路[9, [10], [11], [12]]。虽然这些表型关联已经得到充分证实，但PCE引起的神经发育紊乱的关键药理机制仍不明确。目前的机制研究主要集中在咖啡因对腺苷A1/A2A受体的急性拮抗作用或对母体代谢的干扰[13, [14], [15], [16]]，但尚未阐明早期药物暴露如何导致后代的长期神经发育缺陷。值得注意的是，对特定药理靶点及其下游信号通路的了解不足，继续阻碍了对中枢神经系统药物诱导的发育神经毒性的预测性风险评估和针对性干预策略的开发。 胆固醇稳态作为神经发育的基石，为阐明PCE的药理机制提供了新的视角[17,18]。星形胶质细胞通过ATP结合盒（ABC）转运蛋白（如ATP结合盒亚家族G成员1（ABCG1）[19, [20], [21]]介导的胆固醇外排，严格调控突触成熟和神经元中的脂质筏组织。然而，像咖啡因这样的外源性CNS活性物质是否破坏这种胶质细胞-神经元调节轴以诱导神经发育异常，在机制上尚未探索。这一未探索的药理途径构成了本研究的理论突破点。 本研究首次从星形胶质细胞-神经元胆固醇稳态调节轴的角度系统地阐明了PCE诱导的神经发育毒性的核心机制。利用跨物种模型（包括大鼠PCE模型、星形胶质细胞特异性条件性敲除小鼠和药理学斑马鱼模型），结合分子相互作用验证，我们证明咖啡因作为内源性应激途径激活剂发挥作用。通过激活母体-胎儿下丘脑-垂体-肾上腺（HPA）轴，咖啡因导致过量的糖皮质激素（GCs）暴露，而不是通过其经典的受体机制，从而导致胎儿海马区星形胶质细胞中糖皮质激素受体（GR）-miR-130b/301b-PPARγ信号级联的持续失调。这特异性抑制了胆固醇转运蛋白Abcg1的转录。结果，星形胶质细胞保留胆固醇，神经元缺乏富含胆固醇的微环境，最终导致海马区突触发育缺陷和后代的终生行为异常。这项工作不仅提供了首个药物作用靶点ABCG1和PCE的完整机制途径，还为评估其他干扰GCs的中枢神经系统活性药物（如GR调节剂和神经免疫剂）的发育毒性建立了共同的分子框架。

材料与方法

关键实验方法总结如下；更多细节见支持信息。

PCE后代表现出与突触和脂质筏结构异常相关的海马依赖性认知和情绪缺陷

我们将怀孕大鼠从妊娠第9天（GD9）到第20天（GD20）暴露于咖啡因，这一时期对神经发育至关重要[28]。这种暴露建立了一个稳定的PCE模型（图1A）。与雌性相比，雄性表现出更高的负面神经行为和认知障碍敏感性[29,30]。因此，为了阐明与PCE相关的认知和情绪障碍的机制，本研究重点关注雄性后代。

讨论

在概念和机制突破方面，本研究取得了四项重大进展。首先，与以往主要关注咖啡因的直接作用（如腺苷受体拮抗或磷酸二酯酶抑制）或其代谢副产物[13], [14], [15], [16]的研究不同，我们首次证明咖啡因作为一种生理应激源，通过激活糖皮质激素（GCs）信号通路间接引发发育神经毒性。

结论

本研究提供了首个机制证据，表明产前暴露于中枢神经系统活性物质咖啡因通过涉及母体-胎儿GCs轴过度激活的间接、非受体依赖性药理途径抑制了关键星形胶质细胞胆固醇转运蛋白ABCG1的表达。ABCG1功能的丧失阻碍了星形胶质细胞的胆固醇外排，使神经元缺乏必要的胆固醇供应，最终破坏了海马区的突触发育和脂质筏结构。 <红字>作者贡献声明戴高磊：写作 – 审稿与编辑，撰写原始稿件，可视化，项目管理，方法学，研究。罗明翠：撰写原始稿件，可视化，验证，项目管理，方法学，研究，正式分析，数据管理，概念化。戴世云：项目管理，方法学，研究，数据管理，概念化。周新丽：可视化，验证，方法学，研究。朱森：可视化，项目管理。 < /> 作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。 <致谢> 本研究得到了中国国家重点研发计划（项目编号：2024YFA1802700）、国家自然科学基金（项目编号：82474017）和湖北省自然科学基金（项目编号：2024AFB758）的支持。