Cell Death Dis︱李纤课题组揭示少突胶质前体细胞铁死亡在脑出血后白质损伤中的作用
撰文︱沈丹敏等
责编︱王思珍
出血性脑卒中（脑出血）发病率占所有卒中类型的10-14.9%，但其死亡率和致残率均居于首位，尤其是在以中国为代表的亚洲国家[1]。脑出血时，血液从血管中破裂而出，进入脑实质，引起原发和继发性脑损伤，二者均会对纤维束造成结构性和功能性损害。故脑出血后常伴随严重的白质损伤，在临床上是导致患者预后不良的重要因素之一[2]。少突胶质前体细胞（oligodendrocyte progenitor cell，OPC），可通过分化为分泌髓磷脂的成熟少突胶质细胞，参与神经发育和中枢神经系统疾病髓鞘再生的修复过程。OPC的死亡和分化障碍均可导致严重的神经和运动功能缺损[3]。然而，OPC细胞死亡在脑出血后的调控机制尚不清楚。
铁死亡（ferroptosis）是2012年发现的一种铁元素依赖的、磷脂过氧化驱动的程序性细胞死亡[4]，在包括脑出血在内的多种神经系统疾病和肿瘤中发挥重要功能。过去几年中，关于铁死亡的研究呈现指数性增长。然而，关于OPC是否也可发生铁死亡，及其在脑出血的发病和预后中的作用研究还非常有限。
2022年3月23日，首都医科大学基础医学院的李纤教授课题组在《细胞死亡与疾病》（Cell Death & Disease）杂志上发表了题为“Ferroptosis in oligodendrocyte progenitor cells mediates white matter injury after hemorrhagic stroke”的研究论文，阐明了OPC细胞铁死亡是脑出血后白质损伤和神经功能受损的重要机制。作者通过小鼠侧脑室注射自体血构建的在体模型和血红素刺激的小鼠OPC原代细胞的离体模型，发现能脑出血小鼠侧脑室周围的OPC发生大量死亡，导致受损轴突的再髓鞘化过程受阻，引起出血后慢性期的神经、运动功能缺损；机制上，出血损伤下的OPC发生谷胱甘肽过氧化物酶4依赖的铁死亡；且抑制OPC铁死亡，可在脑出血后白质损伤和神经运动功能恢复中发挥显著的保护作用。
既往针对脑出血发生、发展过程中的细胞死亡研究，特别是铁死亡相关报道，主要集中在神经元，而对脑白质结构中的细胞类型关注较少，但白质损伤却是脑出血后致残的重要原因。因此，李纤教授课题组在发现铁死亡是神经元在脑出血后的主要死亡类型、并阐明神经元铁死亡在模型动物急性期预后的重要作用后[5]，将研究对象锚定在了OPC细胞死亡在白质损伤修复和长期预后的作用机制上。
新生和成年哺乳动物的OPC主要集中在侧脑室周围的脑室下区[6]，由于OPC聚集部位与侧脑室的解剖关系密切，为排除神经元死亡的影响、聚焦地研究OPC细胞死亡在脑出血神经损伤中的作用，该课题选择将自体血注射入侧脑室，构建脑出血的特殊类型——侧脑室出血（intraventricular hemorrhage，IVH）模型，探索出血后OPC细胞的病理改变及相关分子机制。利用核磁扫描技术，作者观察到侧脑室出血后，双侧胼胝体T2相高信号，DTI显示表观弥散系数（apparent diffusion coefficient）和各向异性分数（fractional anisotropy）数值异常。同时通过免疫荧光染色发现髓鞘碱性蛋白（myelin basic protein，MBP）荧光强度降低。这些结果表明：IVH后双侧胼胝体髓鞘结构受到严重破坏，出血后白质损伤的模型建立成功（图1）。
图1 IVH小鼠发生显著的白质损伤
（图源：Shen DM et al., Cell Death Dis, 2022）
为了解IVH后细胞死亡情况和死亡细胞类型，作者利用不同细胞类型的标记物与细胞死亡指示剂进行双标，发现IVH造模引起侧脑室周围组织大量细胞死亡，其中少突胶质细胞、尤其是OPC细胞死亡比例明显多于其他细胞类型。血液中红细胞中的铁离子对脑组织会产生严重的细胞毒性，造成细胞内自由基水平升高，继而发生细胞死亡（如细胞凋亡和铁死亡）。接下来，作者利用Perl’s铁染色和电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）检测出血后的脑组织，发现侧脑室周围出现大量铁沉积。以上证据表明IVH后侧脑室周围OPC大量细胞死亡且伴有铁沉积，提示OPC的大量死亡与铁超载密切相关。
为了进一步确认脑出血过程中OPC细胞的死亡类型并探讨相关的分子机制，作者采用经典的磁珠分选的方法，分离、纯化并培养小鼠原代OPC，利用血红素（hemin）刺激原代OPC模拟出血损伤，然后进行转录组测序分析（RNA-seq）。差异表达基因细胞信号通路富集分析表明，血红素引起了包括铁死亡在内的多条细胞死亡通路的相关基因表达水平的改变。作者又分别利用不同细胞方式的抑制剂对损伤的OPC进行挽救实验，结果表明铁死亡是血红素诱导OPC细胞死亡的主要类型（图2）。
图2 血红素体外诱导OPC铁死亡
（图源：Shen DM et al., Cell Death Dis, 2022）
肿瘤细胞和神经元铁死亡的主要机制是谷胱甘肽过氧化物酶4（glutathione peroxidase 4，GPx4）的失活，标志性事件是脂质活性氧（lipid reactive oxygen species，lipid ROS）堆积。通过对lipid ROS、GPx4活性、GPx4表达量和细胞死亡曲线进行检测和对比，作者发现GPx4表达水平和活性下降与lipid ROS积累密切相关。并且利用GPx4特异性抑制剂RSL3进一步验证，表明GPx4的表达与活性降低是血红素诱导OPC铁死亡的主要机制。
最后，为评估挽救小鼠脑内OPC铁死亡在脑出血后白质损伤修复中的作用，研究者对IVH小鼠腹腔注射铁死亡抑制剂Ferrostatin-1（Fer-1），使用免疫荧光染色、透射电镜实验发现脑出血后侧脑室周围少突胶质细胞系死亡数量显著减少，与之相伴，双侧胼胝体白质损伤明显缓解。更为重要的是，Fer-1处理也明显促进了脑出血后小鼠神经运动功能的恢复（图3）。
图3 抑制OPC铁死亡可有效改善小鼠慢性期预后
（图源：Shen DM et al., Cell Death Dis, 2022）
同时，此研究也提示，除神经元和OPC在脑出血后发生铁死亡外，其他类型的胶质细胞也会发生一定比例的细胞死亡，在小鼠预后中可能也发挥着不可忽视的作用。另外，如何促使存活的OPC分化、成熟、分泌髓磷脂、并正确包裹神经元的轴突，都是治疗出血后慢性期白质损伤所需要关注的问题。
当然，这项研究还存在一些有待解决的问题，比如，尽管铁死亡抑制剂治疗改善小鼠白质结构损伤和神经运动功能障碍，但铁死亡抑制剂的细胞特异性、稳定性和效力等还需进一步探索研究。OPC铁死亡是否在其他白质损伤相关疾病（如多发性硬化症和外周神经损伤等）中起重要作用，以及是否存在GPx4非依赖的调控机制等，也都是可继续探索的科学问题。
总之，此项研究提示，调控OPC铁死亡可能是脑出血后白质损伤和神经运动功能障碍的潜在治疗策略。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41419-022-04712-0
第一作者沈丹敏（一排左2），通讯作者李纤（一排左3）
（照片提供自李纤实验室）
该研究受到国家自然科学基金面上项目（81873790，32070735和81971037）、北京市自然科学基金项目和北京市教育委员会科技计划重点项目（KZ202010025033和KZ201910025026）、北京市属高校“十三五”拔尖人才（CIT&TCD201904092）等项目资助。
李纤，首都医科大学基础医学院教授、博士生导师，现任生物化学与分子生物学系副主任。主要以出血性脑卒中为疾病模型，研究中枢神经系统疾病的神经保护和免疫调控。先后承担多项国家自然科学等省部级以上基金项目，在《Cancer Research》、《Clinical Cancer Research》、《Redox Biology》、《JCI Insight》、《Brain, Behavior, and Immunity》等杂志上发表论文30余篇。
【1】Front Mol Neurosci︱高尚邦课题组解析运动神经元震荡子的构成与分子机制
【2】Nat Neurosci综述︱双光子全息光遗传学技术探测神经编码
【3】Mol Psychiatry︱生物钟基因Bmal1在自闭症及小脑共济失调的小鼠模型中的作用
【4】Science︱小鼠快速眼动睡眠由基底外侧杏仁核多巴胺信号调节
【5】Nat Neurosci︱双相情感障碍患者杏仁核和前扣带回神经免疫和突触相关通路下调
【6】Nat Commun︱周小明/孙子宜团队根据Sigma-1受体开放式构象揭示其配体进入途径的分子机制
【7】Glia︱袁增强课题组揭示调控少突胶质前体细胞增殖新机制：c-Abl通过磷酸化Olig2
【8】HBM︱俞连春课题组揭示大脑雪崩临界现象与流体智力以及工作记忆的关系
【9】J Neuroinflammation︱顾小萍课题组揭示星形胶质细胞网络在长时程异氟烷麻醉介导的术后认知功能障碍中的重要作用
【1】科研技能︱第四届近红外脑功能数据分析班（线上：2022.4.18~4.30）
【2】科研技能︱磁共振脑网络分析入门班（线上：2022.4.6~4.16）
【4】单细胞测序与空间转录组学数据分析研讨会 （2022.4.2-3 腾讯在线）
参考文献（上下滑动查看）
1.Schrag, M. and H. Kirshner, Management of Intracerebral Hemorrhage: JACC Focus Seminar. J Am Coll Cardiol, 2020. 75(15): p. 1819-1831.
2.Jiang, Y.B., et al., White matter repair and treatment strategy after intracerebral hemorrhage. CNS Neurosci Ther, 2019. 25(10): p. 1113-1125.
3.Kuhn, S., et al., Oligodendrocytes in Development, Myelin Generation and Beyond. Cells, 2019. 8(11).
4.Dixon, S.J., et al., Ferroptosis: an iron-dependent form of nonapoptotic cell death. Cell, 2012. 149(5): p. 1060-72.
5.Li, Q., et al., Inhibition of neuronal ferroptosis protects hemorrhagic brain. Jci Insight, 2017. 2(7).
6.Menn, B., et al., Origin of oligodendrocytes in the subventricular zone of the adult brain. J Neurosci, 2006. 26(30): p. 7907-18.
制版︱王思珍
本文完