二甲双胍减轻脊髓损伤：上调血红素加氧酶1以抑制神经细胞铁死亡

doi:10.4103/1673-5374.390960

摘要/Abstract

摘要：

既往研究发现血红素加氧酶1可在多种中枢神经系统损伤模型中上调，且其具有抗炎作用，并在调节细胞氧化还原稳态方面至关重要。二甲双胍是一种治疗2型糖尿病的经典药物，具有抑制铁死亡的作用。既往有研究表明，二甲双胍在治疗心血管和消化系统疾病中能上调血红素加氧酶1的表达。因此实验假设血红素加氧酶1可在二甲双胍治疗脊髓损伤后神经细胞铁死亡中发挥了重要的作用。为证实这一假设，实验首先基于GEO数据库使用生物信息学方法分析得出，脊髓损伤大鼠脊髓中血红素加氧酶1表达上调。然后在T9脊髓压迫损伤大鼠模型中也证实这一现象，同时发现脊髓神经细胞中存在铁死亡现象。而连续14d腹腔注射二甲双胍可上调脊髓损伤大鼠血红素加氧酶1的表达，并减少神经细胞铁死亡。而后实验使用慢病毒脊髓局部敲低血红素加氧酶1的表达，可见二甲双胍对脊髓损伤后铁死亡的作用明显减弱。这一研究提示，二甲双胍具有抑制脊髓损伤后神经细胞铁死亡的作用，该作用部分依赖于上调的血红素加氧酶1实现的。

https://orcid.org/0000-0001-8435-4225 (Meihua Li)

关键词: 脊髓损伤, 铁死亡, 二甲双胍, 血红素加氧酶1, 炎症, 神经保护, 谷胱甘肽过氧化物酶4, 酰基辅酶A合成酶长链家族成员4, 铁, 脂质过氧化

Abstract: Previous studies have reported upregulation of heme oxygenase-1 in different central nervous system injury models. Heme oxygenase-1 plays a critical anti-inflammatory role and is essential for regulating cellular redox homeostasis. Metformin is a classic drug used to treat type 2 diabetes that can inhibit ferroptosis. Previous studies have shown that, when used to treat cardiovascular and digestive system diseases, metformin can also upregulate heme oxygenase-1 expression. Therefore, we hypothesized that heme oxygenase-1 plays a significant role in mediating the beneficial effects of metformin on neuronal ferroptosis after spinal cord injury. To test this, we first performed a bioinformatics analysis based on the GEO database and found that heme oxygenase-1 was upregulated in the lesion of rats with spinal cord injury. Next, we confirmed this finding in a rat model of T9 spinal cord compression injury that exhibited spinal cord nerve cell ferroptosis. Continuous intraperitoneal injection of metformin for 14 days was found to both upregulate heme oxygenase-1 expression and reduce neuronal ferroptosis in rats with spinal cord injury. Subsequently, we used a lentivirus vector to knock down heme oxygenase-1 expression in the spinal cord, and found that this significantly reduced the effect of metformin on ferroptosis after spinal cord injury. Taken together, these findings suggest that metformin inhibits neuronal ferroptosis after spinal cord injury, and that this effect is partially dependent on upregulation of heme oxygenase-1.

Key words: acyl-CoA synthetase long-chain family member 4, ferroptosis, glutathione peroxidase 4, heme oxygenase-1, inflammation, iron, lipid peroxidation, metformin, neuroprotection, spinal cord injury

. 二甲双胍减轻脊髓损伤：上调血红素加氧酶1以抑制神经细胞铁死亡[J]. 中国神经再生研究(英文版), 2024, 19(9): 2041-2049.

Zhihua Wang, Wu Zhou, Zhixiong Zhang, Lulu Zhang, Meihua Li. Metformin alleviates spinal cord injury by inhibiting nerve cell ferroptosis through upregulation of heme oxygenase-1 expression[J]. Neural Regeneration Research, 2024, 19(9): 2041-2049.

参考文献

引言

出版重点

《中国神经再生研究（英文版）》杂志为SCI、PubMed数据库收录的国际唯一一本专注神经再生领域研究的经同行评议的开放获取期刊，出版来自全球神经再生领域专业学者的前沿性基础研究及临床研究及转化医学、循证医学优秀的最新成果。

期刊出版来自于脑损伤与神经再生、脊髓损伤与神经再生、周围神经损伤与神经再生和神经退行性病与神经再生、神经影像与神经再生的相关研究。期刊关注神经损伤与再生过程中的轴突再生、突触生长、神经可塑性、神经修复和替代、神经移植等最新研究成果。尤其关注应用细胞治疗、基因治疗、生物因子治疗、药物治疗、手术治疗、康复治疗、物理疗法、组织工程、生物工程、生物材料、神经假体等干预性方法产生神经再生效果的相关研究。文章应清晰描述抑制神经元损伤、减轻神经元损伤的一系列变化，保护损伤神经元的过程、方法、程度与评价，突出从细胞分子水平以及分子生物学水平解释神经元损伤后以及预后再生的机制。

NRR杂志被国际重要数据库收录

科学引文索引（Science Citation Index Expanded，SCI）

美国国立医学图书馆（PubMed）

美国国立医学图书馆开放获取全文数据库（PubMed Central, PMC）

美国生物学文摘数据库（BIOSIS previews, BP）

美国《化学文摘》（Chemical Abstracts, CA）

Scopus荷兰《医学文摘库/医学文摘》（Excerpta Medica, EM）

波兰《哥伯尼索引》（Index of Copurnicus, IC）

OvidSP平台数据库

中国科学引文数据库（CSCD）

中国科技期刊数据库-统计源期刊（CSTPCD）

编委会

主编Editor-in-Chief

苏国辉院士（Kwok-fai So, Chair Professor and Head, Jessie Ho Professor in Neuroscience, Department of Anatomy, The University of Hong Kong）。

徐晓明教授（Xiao-ming Xu, Professor and Mari Hulman George Chair of Neurological Surgery, Scientific Director of Spinal Cord and Brain Injury Research Group, Indiana University School of Medicine）

联系方式：Email: szb@nrren.org 电话：+86 138 0499 8773

编委会成员

期刊编委队伍由国际神经再生领域著名学者、中国科学院院士、香港大学苏国辉教授和美国印第安纳大学徐晓明教授领导的由100多位国际神经再生优秀专家组成。共同致力于创办一本发表神经再生领域专业学术研究经同行严格评审的优秀学术期刊。

在线投稿平台

作者可以通过www.nrronline.org在线投稿。

所有的稿件都将通过该系统提交至NRR杂志电子投稿出版管理系统。

作者有不明确的问题，请访问szb@nrren.org或咨询+86 138 0499 8773。

投稿后，当论文已处于审稿或等待审稿状态时，2个月内请勿将稿件再投至他刊。

初次投稿：

投稿信:

应说明文章未一稿多投，全部作者是否对所投稿件内容知情同意，推荐2-3位小同行审稿人。

作者协议：

投稿时请注意作者协议，如同意后可继续完成投稿，投稿成功后作者已与杂志签定了文章的相关版权。

投稿后的同行评议

期刊投稿平台应用国际最大的投稿平台Editorial Manager，投到本刊的每篇稿件都要经过3-4位小同行审稿人评审，审稿方法为国际学科小同行组成双盲审稿。所有发表在杂志的文章都将经过严格的双盲同行层层评议，审稿中注重科学性、伦理学和文章真实性的严格审查。期刊将在投稿后4周内通知作者评审意见。

根据评审意见，编辑部决定稿件返修，再审，被接受或退稿。稿件被接受后，作者可经投稿平台以通讯作者账号随时查询稿件的出版进程。

材料方法

讨论

特邀稿件

对特邀综述稿件的要求：

（1）需提前向编委会提交写作大纲，通过选题后，文章需在2个月内完成。

（2）全文不超过6000个单词，包括摘要，不包括参考文献，图和表格，出版后8-10个版面。

（3）文章写作结构：

文题：不超过 90个字母，20个单词。

摘要：非结构式， 250单词。

引言：

主体内容：

总结：

作者贡献：

利益冲突：

参考文献：采用 Journal of Neuroscience格式。

特邀述评类文章：观点、点评、研究亮点、给编辑的信等。

特邀观点栏目文章要求：

（1）观点文章为作者对神经再生领域某一热点问题的评论，有作者鲜明的观点和作者本人

对此科研过程的认识和总结。

（2）需提前向编委会提交写作大纲，通过选题后，文章需在2个月内完成。

（3）全文2000- 3000单词，包括参考文献，不需要图和表格，不需要摘要，出版后2个版面。

（4）文章写作结构：

文题：不超过 90个字母，20个单词。

主体内容：

参考文献：不超过 5条，采用Journal of Neuroscience格式。

特邀点评与研究亮点栏目文章要求：

（1）点评文章为点评在本刊发表的文章，研究亮点文章为点评国际优秀杂志近期或在线提前发表的前沿性的优秀文章。

（2）需提前向编委会提交写作大纲，通过选题后，文章需在2个月内完成。

（3）全文2000- 3000单词，包括参考文献，不需要图和表格，不需要摘要，出版后2个版面。

（4）文章写作结构：

文题：不超过 90个字母，20个单词。

主体内容：

利益冲突：

参考文献：不超过 5条，采用Journal of Neuroscience格式。

给编辑的信栏目文章要求：

（1）给编辑的信文章为读者对本刊已发表文章的来信反馈。

（2）全文1000- 2000单词，不包括参考文献，文章不需要摘要、图和表格，出版后1个版面。

（4）文章写作结构：

文题：不超过 90个字母，20个单词。

主体内容：

利益冲突：

参考文献：不超过 5条，采用Journal of Neuroscience格式。

文章快阅

延伸阅读

NRR：南昌大学第一附属医院李美华团队揭示二甲双胍减轻脊髓损伤的作用机制

撰文：汪智华，李美华

脊髓损伤是一种灾难性的中枢神经系统疾病，具有较高的发病率和死亡率。脊髓损伤可导致不同程度的感觉和运动功能障碍，严重影响患者的生活质量。脊髓损伤常引起神经细胞死亡和功能减退。研究表明，凋亡、坏死、自噬和焦亡在脊髓损伤进展中均发挥着重要的作用。铁死亡是一种新型的非坏死性调节型细胞死亡形式。目前的研究表明，铁死亡加重了脊髓损伤的严重程度，而抑制铁死亡可促进脊髓损伤后神经功能的恢复。

二甲双胍是临床上常用的一种治疗2型糖尿病的经典药物，据报道可以有效促进脊髓损伤实验动物感觉和运动功能的恢复，最近因其在病理条件下的抗铁死亡作用而引起了人们的兴趣。血红素加氧酶1在多种中枢神经系统损伤模型中上调，并可通过抗炎和调节细胞氧化还原稳态发挥神经保护作用。最近，因血红素加氧酶1能够通过催化血红素降解为胆绿素、一氧化碳和铁造成铁的蓄积从而驱动细胞内铁死亡进程再次引发争议。

最近，来自中国南昌大学第一附属医院李美华团队在《中国神经再生研究（英文版）》（Neural Regeneration Research）上发表了题为“Metformin alleviates spinal cord injury by inhibiting nerve cell ferroptosis through upregulation of heme oxygenase-1 expression”的研究发现，二甲双胍可通过上调血红素加氧酶1抑制铁死亡减轻脊髓损伤后的神经损伤，还可通过不依赖于血红素加氧酶1的途径减轻脊髓损伤后的神经炎症。该研究首次提出，二甲双胍通过调控铁死亡在脊髓损伤大鼠中发挥神经保护作用，同时阐明血红素加氧酶1在脊髓损伤后神经细胞铁死亡中的作用及其对二甲双胍发挥神经保护作用的潜在影响。

长期以来，凋亡被认为是脊髓损伤病理过程中参与细胞死亡的主要形式。考虑到损伤后微环境中存在增强的氧化应激反应、脂质过氧化物积累和炎症反应，近来有研究指出铁死亡参与脊髓损伤后的继发性神经损伤过程[1]。为此，研究首先应用Fluoro-Jade B染色、铁染色、蛋白印迹和透射电镜鉴定了脊髓损伤后铁死亡特征（图1）。虽然未观察到铁死亡特征性线粒体结构，但是Fluoro-Jade B染色、铁染色和免疫蛋白印迹结果支持以往研究中铁死亡参与脊髓损伤后继发性损伤的观点。此外，脊髓损伤后铁染色和Fluoro-Jade B染色结果所呈现出的“错峰”现象与创伤性脑损伤后铁沉积和神经元损伤的结果高度相似[2]。此外，研究显示血红素加氧酶1在脊髓损伤后显著上调表达，这与以往研究中的结果高度一致[3]。随后，研究使用免疫组化进一步明确了血红素加氧酶1在脊髓损伤后的上调表达，同时使用PCR和蛋白印迹方法明确了二甲双胍在脊髓损伤后的抗铁死亡效应。研究还发现，二甲双胍治疗伴随着血红素加氧酶1的进一步上调表达（图2）。这些结果提示，血红素加氧酶1在脊髓损伤后也可能具有抗铁死亡效应。

图1脊髓损伤诱导的脂质过氧化和铁沉积促进神经细胞的铁死亡（图源：Wang et al., Neural Regen Res, 2024）

图2二甲双胍可加剧脊髓损伤后血红素加氧酶1的表达（图源：Wang et al., Neural Regen Res, 2024）

在目前的研究中，血红素加氧酶1在细胞铁死亡过程中的作用是具有争议的。血红素加氧酶1在铁死亡数据库FerrDB中被同时认定为铁死亡的标志物（Marker）、抑制因素（Suppressor）和驱动因素（Driver）。既往研究指出，通过RNA干扰抑制血红素加氧酶1表达在肝癌细胞中促进了铁死亡[4]。此外，血红素加氧酶1是细胞应激反应中诱导产生的细胞保护酶，由于其抗凋亡和抗炎特性而在急性肾损伤中产生保护作用，最近的研究还指出它能减轻肾近端小管细胞的铁死亡[5]。这些研究在一定程度上肯定了血红素加氧酶1具有的抗氧化应激、抗炎和抗铁死亡潜力。为了明确血红素加氧酶1在脊髓损伤中的作用及其与二甲双胍抗铁死亡效应之间的联系，李美华等构建了LV-Hmox1-RNAi慢病毒，并通过体外实验筛选了适用于体内实验验证的有效干扰序列。通过将慢病毒注射到脊髓局部以敲低血红素加氧酶1的表达水平。进一步的动物实验表明，血红素加氧酶1在脊髓损伤后同样具有抗铁死亡效应，二甲双胍的抗铁死亡效应部分依赖于血红素加氧酶1（图3）。进一步的动物研究还表明，血红素加氧酶1在脊髓损伤后具有抗炎作用，二甲双胍以不依赖于血红素加氧酶1的途径促进M1型小胶质细胞向M2表型极化（图4）。最后，血红素加氧酶1在脊髓损伤后具有神经保护作用，慢病毒介导的血红素加氧酶1下调部分逆转了二甲双胍的抗铁死亡作用（图5）。

图3敲低血红素加氧酶1可部分逆转了二甲双胍的抗铁死亡效应（图源：Wang et al., Neural Regen Res, 2024）

图4二甲双胍以不依赖于血红素加氧酶1的途径促进M1型小胶质细胞向M2表型极化（图源：Wang et al., Neural Regen Res, 2024）

图5敲低血红素加氧酶1可部分逆转了二甲双胍的神经保护作用（图源：Wang et al., Neural Regen Res, 2024）

目前已有大量研究指出二甲双胍在脊髓损伤后有神经保护作用[6-9]，李美华等在以往报道的基础上提出并验证了二甲双胍在脊髓损伤后的抗铁死亡作用。此外，血红素加氧酶1在一些疾病中具有双重作用[10, 11]，其在脊髓损伤后神经细胞铁死亡中的整体作用目前尚有争议。一直以来，研究普遍认为血红素加氧酶1对各种疾病都有保护作用[12-14]。最近提出，血红素加氧酶1是促进铁死亡进展的有害因素，因为其能够促进血红素降解产生铁造成铁的积累。该研究明确了血红素加氧酶1在脊髓损伤后的抗铁死亡作用，并证明了血红素加氧酶1是抑制脊髓损伤后神经细胞铁死亡的潜在干预靶点。微环境中的炎症反应是导致脊髓损伤预后较差的一个重要因素，炎症因子参与并促进细胞铁死亡[15-17]。李美华等发现二甲双胍通过促进M1型小胶质细胞向M2表型极化减轻脊髓损伤后的炎症反应，这与以往报道中的结果类似。最后发现二甲双胍减轻炎症反应的作用是血红素加氧酶1非依赖性的，这在未来仍有必要做进一步的阐述。

总之，李美华等揭示了二甲双胍具有抑制脊髓损伤后神经细胞铁死亡的作用，该作用的实现部分依赖于上调的血红素加氧酶1。二甲双胍发挥抗炎作用并可以通过不依赖于高水平血红素加氧酶1的途径减轻脊髓损伤后的进一步损伤。此外，血红素加氧酶1可以通过抗炎、减轻氧化应激和抑制铁死亡等途径发挥神经保护作用。因此，血红素加氧酶1是脊髓损伤后神经细胞铁死亡的有效干预靶点，血红素加氧酶1受二甲双胍调控并影响其在脊髓损伤中的抗铁死亡作用。

与此同时，该研究仍存在一定的局限性。研究只在动物水平进行了探索，而没有进一步研究下调血红素加氧酶1发挥神经保护作用的下游通路。在时间点的选择上，研究仅选择在损伤和炎症较重的第3天进行了实验的探索和结果的展示。最后，研究缺乏行为学方面的实验，未探讨下调血红素加氧酶1对脊髓损伤后运动功能的影响。直接的机械损伤、炎症和铁依赖性脂质过氧化在神经元铁死亡中发挥综合作用，血红素加氧酶1可能在介导血红素降解产生游离铁中发挥作用，但是其抗炎和抗氧化的整体保护作用大于介导生成铁所带来的损害。总之，该研究主要通过动物实验为二甲双胍治疗脊髓损伤的作用和机制提供了一些基本的见解。未来的研究仍需要在具体的作用机制上做进一步的阐述。

原文链接：https://doi.org/10.4103/1673-5374.390960

参考文献

[1] Bai XY, Liu XL, Deng ZZ, et al. Ferroptosis is a new therapeutic target for spinal cord injury. Front Neurosci. 2023;17:1136143.

[2] Xie BS, Wang YQ, Lin Y, et al. Inhibition of ferroptosis attenuates tissue damage and improves long-term outcomes after traumatic brain injury in mice. CNS Neurosci Ther. 2019;25(4):465-475.

[3] Ge MH, Tian H, Mao L, et al. Zinc attenuates ferroptosis and promotes functional recovery in contusion spinal cord injury by activating Nrf2/GPX4 defense pathway. CNS Neurosci Ther. 2021;27(9):1023-1040.

[4] Sun X, Ou Z, Chen R, et al. Activation of the p62-Keap1-NRF2 pathway protects against ferroptosis in hepatocellular carcinoma cells. Hepatology. 2016;63(1):173-184.

[5] Adedoyin O, Boddu R, Traylor A, et al. Heme oxygenase-1 mitigates ferroptosis in renal proximal tubule cells. Am J Physiol Renal Physiol. 2018;314(5):F702-F714.

[6] Chen Q, Xie D, Yao Q, et al. Effect of metformin on locomotor function recovery in rat spinal cord injury model: a meta-analysis. Oxid Med Cell Longev. 2021;2021:1948003.

[7] Zhang D, Tang Q, Zheng G, et al. Metformin ameliorates BSCB disruption by inhibiting neutrophil infiltration and MMP-9 expression but not direct TJ proteins expression regulation. J Cell Mol Med. 2017;21(12):3322-3336.

[8] Zhang D, Xuan J, Zheng BB, et al. Metformin improves functional recovery after spinal cord injury via autophagy flux stimulation. Mol Neurobiol. 2017;54(5):3327-3341.

[9] Inyang KE, Szabo-Pardi T, Wentworth E, et al. The antidiabetic drug metformin prevents and reverses neuropathic pain and spinal cord microglial activation in male but not female mice. Pharmacol Res. 2019;139:1-16.

[10] Zhang Y, Fan BY, Pang YL, et al. Neuroprotective effect of deferoxamine on erastininduced ferroptosis in primary cortical neurons. Neural Regen Res. 2020;15(8):1539-1545.

[11] Kim HN, Langley MR, Simon WL, et al. A Western diet impairs CNS energy homeostasis and recovery after spinal cord injury: Link to astrocyte metabolism. Neurobiol Dis. 2020;141:104934.

[12] Hu X, Xu Y, Xu H, et al. Progress in understanding ferroptosis and its targeting for therapeutic benefits in traumatic brain and spinal cord injuries. Front Cell Dev Biol. 2021;9:705786.

[13] Ryter SW. Heme oxygenase-1: an anti-inflammatory effector in cardiovascular, lung, and related metabolic disorders. Antioxidants (Basel). 2022;11(3):555.

[14] Puentes-Pardo JD, Moreno-Sanjuan S, Carazo Á, et al. Heme oxygenase-1 in gastrointestinal tract health and disease. Antioxidants (Basel). 2020;9(12):1214.

[15] Bin S, Xin L, Lin Z, et al. Targeting miR-10a-5p/IL-6R axis for reducing IL-6-induced cartilage cell ferroptosis. Exp Mol Pathol. 2021;118:104570.

[16] Han F, Li S, Yang Y, et al. Interleukin-6 promotes ferroptosis in bronchial epithelial cells by inducing reactive oxygen species-dependent lipid peroxidation and disrupting iron homeostasis. Bioengineered. 2021;12(1):5279-5288.

[17] Yao X, Sun K, Yu S, et al. Chondrocyte ferroptosis contribute to the progression of osteoarthritis. J Orthop Translat. 2021;27:33-43.

汪智华博士为论文第一作者，李美华教授为论文通讯作者。