铁死亡抑制剂对轻度脊髓损伤早期和延迟治疗后的改善效果

2024-07-30 Tue
铁死亡抑制剂改善轻度脊髓损伤早期和延迟治疗效果学术背景脊髓损伤（spinal cord injury, SCI）不仅在急性期（acute period）且在慢性期（chronic period）也会导致显著的二次损伤（secondary damage）。这些损伤通常由氧化应激（oxidative stress）、炎症反应（inflammatory response）和细胞死亡机制等多种因素引起。在这种背景下，铁介导的一种非凋亡细胞死亡形式——铁死亡（ferroptosis）逐渐引起了科学界的关注。近年来，铁死亡已被发现与多种神经系统疾病有关，其对SCI的具体机制和贡献尚待进一步研究。
来源介绍本文由Fari Ryan等多位科学家合作完成，涉及的科研单位包括McGill University, Charité Universitätsmedizin Berlin, Helmholtz Zentrum München及其它著名研究机构。文章发表在《Acta Neuropathologica》2024年第147卷106页。
研究背景和目的铁死亡（Ferroptosis）是由红细胞（red blood cells, RBCs）吞噬导致的铁负载增加引发的非凋亡细胞死亡形式。科学家们发现，在脊髓损伤后，铁氧化还原活性铁（redox active iron）的释放能够诱导铁死亡，进而导致二次损伤和功能丧失。该研究旨在探讨铁死亡在SCI中的潜在影响，并评估铁死亡抑制剂对SCI治疗的效果，以期为SCI提供新的治疗思路。
研究方法该研究采用了多种实验方法，包括西方印迹（Western Blotting），免疫荧光（Immunofluorescence），毛细管电泳耦合等离子体质谱法（CE-ICP-MS），以及对小鼠和人类样本的分析。
研究对象及分组研究对象为8周龄的雌性C57BL/6小鼠，通过脊髓损伤模型对其进行SCI处理。小鼠被随机分为治疗组和对照组，分别接受铁死亡抑制剂UAMC-3203（15 mg/kg）或载体溶液（3% DMSO生理盐水）的注射。
步骤及流程SCI模型建立：对小鼠进行部分椎板切除，并通过有限视界冲击器（Infinite Horizon Impactor）进行不同强度（30和40千达因）的脊髓挫伤。
行为学测试：通过Basso Mouse Scale (BMS)评估运动恢复情况，观察治疗组与对照组在不同时间点的活动能力。
分子生物学检测：
铁代谢相关蛋白检测：检测铁运输蛋白（TFR1, DMT1），铁储存蛋白（Ferritin）及铁释放蛋白（NCOA4）的表达变化。
脂质过氧化和抗氧化系统检测：检测脂质过氧化产物（4-HNE）以及抗氧化酶（GPX4）和谷胱甘肽（GSH）的水平。
铁离子含量测定：使用毛细管电泳耦合等离子体质谱法（CE-ICP-MS）测定脊髓组织中的铁总量，以及Fe^2+ 和Fe^3+ 的比率。
人类样本检测：收集和分析脊髓损伤患者的脑脊液（CSF）和血清样本，检测铁死亡标志物的变化。
主要发现铁代谢的变化铁上升和储存：研究发现七天后，SCI小鼠脊髓中氧化还原活性铁显著增加，并伴随铁运输蛋白（DMT1, TFR1）表达升高和铁储存蛋白（Ferritin）上升。
铁释放机制：NCOA4蛋白的表达在受伤后大幅增加，特别是在CD11b+巨噬细胞中，提示这一分子在铁从铁蛋白中释放的过程中起关键作用。
Fe^2+ /Fe^3+ 比率提高：通过CE-ICP-MS，研究检测到SCI小鼠脊髓中Fe^2+ 和Fe^3+ 的比例显著增加，这种增加可能是诱导铁死亡的关键因素。
抗氧化系统的不足谷胱甘肽系统的损耗：谷胱甘肽（GSH）水平显著降低，且维持低水平长达5周，xCT和GPX4的表达也随之下降，提示谷胱甘肽抗氧化系统在SCI后的响应不足。
脂质过氧化的增加：脂质过氧化产物4-HNE在SCI后显著增加，表明脂质过氧化导致的细胞损伤在SCI后持续存在。
铁死亡抑制效果运动能力恢复：在30千达因力的脊髓损伤实验中，科学家发现使用铁死亡抑制剂UAMC-3203的治疗组小鼠，其运动恢复显著好于对照组。无论是在SCI早期（1-14天）还是延迟治疗（28-42天），均能提高BMS评分。
二次损伤减少：铁死亡抑制剂治疗能够显著减少损伤中心的病变区域，增加髓鞘保存并提高5-HT神经递质在腹角的分布，表明该抑制剂可有效减轻二次损伤。
人类样本分析申请在SCI人类患者中，科学家检测到CSF和血清中铁储存蛋白Ferritin，血红蛋白α，结合血红素的Hemopexin显著升高，而GSH水平显著下降，这些变化与小鼠SCI模型实验结果一致。
生物标志物：这些铁死亡相关标志物在SCI患者中的变化为评估SCI治疗效果及病情监控提供了重要的生物标志物。
研究意义该研究首次详细揭示了铁死亡在SCI过程中的作用机制，并证明了铁死亡抑制剂的治疗潜力。铁死亡通过增加氧化还原活性铁，降低抗氧化GSH系统并促进脂质过氧化，从而导致SCI进一步损伤。通过有效抑制铁死亡，不但能减轻急性期损伤，还能改善慢性期的功能恢复，为SCI的临床治疗提供了新的研究方向和策略。
亮点新型机制：研究揭示了铁死亡这一新型非凋亡细胞死亡机制在SCI中的重要作用。
跨物种验证：不仅通过小鼠模型进行深入探索，还在SCI人类患者中验证了铁死亡相关生物标志物的变化。
治疗潜力：通过应用铁死亡抑制剂，证实其在改善SCI功能恢复和减少二次损伤中的显著效果，开创了SCI治疗的新方向。
结论铁死亡在脊髓损伤的发生发展过程中扮演了关键角色，通过使用铁死亡抑制剂，能够显著改善脊髓损伤的治疗效果。这一发现为我们深入了解SCI的病理生理机制及其治疗提供了新思路，未来的研究和临床实践中，铁死亡抑制剂有望成为SCI治疗的一个重要组成部分。