抑制铁死亡有利于慢性压迫性脊髓损伤后神经功能的恢复

doi:10.4103/1673-5374.371378

摘要/Abstract

摘要：

脊髓型颈椎病是成人最常见的导致脊髓功能障碍的疾病之一，其病理机制在于脊髓受到椎管内骨性结构或软组织的慢性压迫。铁死亡是许多神经退行性疾病的一个重要病理过程；然而，它在慢性脊髓压迫中的作用仍不清楚。实验建立了慢性压迫性脊髓损伤大鼠模型，通过转录组测序技术发现了铁死亡相关通路在这个模型中富集。通过透射电子显微镜和丙二醛定量分析，研究证实铁死亡的活性在压迫第4周达到峰值，而在第8周时减弱，与神经功能显著负相关。qPCR、免疫荧光和免疫印迹检测发现，在脊髓压迫后第4周神经元中的抗铁死亡分子谷胱甘肽过氧化物酶4和MAF BZIP转录因子G的表达受到抑制，但在8周时增加。MAF BZIP转录因子G和Nrf2之间的相互作用在慢性脊髓压迫后第4周下调，却在第8周时被显著上调。谷胱甘肽过氧化物酶4和MAF BZIP转录因子G蛋白的表达呈正相关，与神经功能生理变化的趋势呈负相关。研究揭示了慢性脊髓压迫大鼠在伤后8周内的转录组以及铁死亡活性的变化，抑制铁死亡有利于慢性压迫性脊髓损伤后神经功能的恢复。实验结果为了解抗铁死亡疗法在治疗脊髓型颈椎病中的潜力提供了见解。

https://orcid.org/0000-0003-4809-9516 (Yang Duan)

Abstract: Chronic compressive spinal cord injury in compressive cervical myelopathy conditions can lead to rapid neurological deterioration in the early phase, followed by partial self-recovery, and ultimately an equilibrium state of neurological dysfunction. Ferroptosis is a crucial pathological process in many neurodegenerative diseases; however, its role in chronic compressive spinal cord injury remains unclear. In this study, we established a chronic compressive spinal cord injury rat model, which displayed its most severe behavioral and electrophysiological dysfunction at 4 weeks and partial recovery at 8 weeks after compression. Bulk RNA sequencing data identified enriched functional pathways, including ferroptosis, presynapse, and postsynaptic membrane activity at both 4 and 8 weeks following chronic compressive spinal cord injury. Transmission electron microscopy and malondialdehyde quantification assay confirmed that ferroptosis activity peaked at 4 weeks and was attenuated at 8 weeks after chronic compression. Ferroptosis activity was negatively correlated with behavioral score. Immunofluorescence, quantitative polymerase chain reaction, and western blotting showed that expression of the anti-ferroptosis molecules, glutathione peroxidase 4 (GPX4) and MAF BZIP transcription factor G (MafG), in neurons was suppressed at 4 weeks and upregulated at 8 weeks following spinal cord compression. There was a positive correlation between the expression of these two molecules, suggesting that they may work together to contribute to functional recovery following chronic compressive spinal cord injury. In conclusion, our study determined the genome-wide expression profile and ferroptosis activity of a consistently compressed spinal cord at different time points. The results showed that anti-ferroptosis genes, specifically GPX4 and MafG, may be involved in spontaneous neurological recovery at 8 weeks of chronic compressive spinal cord injury. These findings contribute to a better understanding of the mechanisms underlying chronic compressive spinal cord injury and may help identify new therapeutic targets for compressive cervical myelopathy.

Key words: chronic spinal cord compression, compressive cervical myelopathy, ferroptosis, genome-wide transcriptome, glutathione peroxidase 4 (GPX4), MAF BZIP transcription factor G (MafG), neurological function

. 抑制铁死亡有利于慢性压迫性脊髓损伤后神经功能的恢复[J]. 中国神经再生研究(英文版), 2023, 18(11): 2482-2488.

Zhengran Yu, Xing Cheng, Wenxu Pan, Cheng Yu, Yang Duan. The ferroptosis activity is associated with neurological recovery following chronic compressive spinal cord injury[J]. Neural Regeneration Research, 2023, 18(11): 2482-2488.

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

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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）

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

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延伸阅读

NRR:南方医科大学珠江医院段扬团队揭示铁死亡在慢性脊髓压迫中的作用

既往研究证明，铁死亡在中枢神经系统疾病中起重要作用。近期，南方医科大学珠江医院的段扬团队在《中国神经再生研究（英文版）》（Neural Regeneration Research）上发表了题为“The ferroptosis activity is associated with neurological recovery following chronic compressive spinal cord injury”的文章，进一步建立了临床脊髓型颈椎病相关的慢性脊髓压迫大鼠模型，报道了神经元铁死亡在慢性脊髓压迫过程中的变化规律，以及其与神经功能的相关性，以了解抗铁死亡靶点对于脊髓型颈椎病的治疗潜力。

研究背景

1.脊髓型颈椎病是成人最常见的导致脊髓功能障碍的疾病之一，其病理机制在于脊髓受到椎管内骨性结构或软组织的慢性压迫。铁死亡是许多神经退行性疾病的一个重要病理过程；然而，它在慢性脊髓压迫中的作用仍不清楚。

2.调控性细胞死亡主要包括凋亡、自噬和铁死亡，了解关键的细胞死亡的调控通路对挽救神经元的存活具有重要作用。铁死亡在中枢神经系统损伤疾病中非常常见，尤其是在氧化应激损伤占主导作用的疾病如阿尔茨海默病、脑卒中、帕金森病和急性脊髓挫伤中[1]。

3.该研究团队前期已通过在颈椎管内植入吸水可膨胀材料来建立稳定的临床脊髓型颈椎病相关的大鼠慢性脊髓压迫模型，并已证明神经元缺血缺氧是导致慢性脊髓压迫大鼠神经功能恶化的重要因素[2]。

研究方法和结果

1.研究建立了一个与临床相关的大鼠脊髓型颈椎病模型，通过RNA-seq发现铁死亡相关通路在这个模型中富集。

2.通过透射电子显微镜和丙二醛定量分析，研究证实铁死亡的活性在压迫第4周达到峰值，并在第8周时减弱，与神经功能评分显著负相关。

3.研究通过qPCR、免疫荧光和Western blotting发现，在脊髓压迫后第4周神经元中的抗铁死亡分子GPX4（谷胱甘肽过氧化物酶4）和MafG（MAF BZIP转录因子G）的表达受到抑制，但在8周时增加。MafG和Nrf2之间的相互作用在慢性脊髓压迫后第4周下调，却在第8周时被显著上调。GPX4和MafG蛋白的表达相互之间呈正相关，与神经功能生理变化的趋势呈负相关。

这项研究揭示了慢性脊髓压迫不同时间点的铁死亡活性，及其与神经功能变化的相关性。此外，包括GPX4和MafG在内的多种抗铁死亡基因可能参与了慢性脊髓压迫 8周时神经功能的自发缓解。首次分析了慢性脊髓压迫大鼠在8周内不同时间点的转录组以及铁死亡活性的变化。该研究将为了解抗铁死亡疗法在治疗脊髓型颈椎病中的潜力提供新见解。

当然该研究也存在一定性局限性。首先，这是一项观察性研究。尽进行了详尽的神经生理学测试、差异表达基因的转录分析、透射电镜和分子学验证分析，但没有进行功能干预实验，因此需要进一步的功能验证实验来确定这些铁死亡蛋白质相互影响的机制及其对神经功能的影响。

总结

研究结果证实慢性脊髓压迫不同时间点的铁死亡活性，及其与神经功能变化的相关性。此外，包括GPX4和MafG在内的多种抗铁死亡基因可能参与了慢性脊髓压迫 8周时神经功能的自发缓解。总之，该研究表明，抗铁死亡疗法是治疗脊髓型颈椎病的一种潜在的有效策略。

图片说明：通过透射电子显微镜和丙二醛定量分析，证实铁死亡的活性在压迫第4周达到峰值，并在第8周时减弱。此外，慢性脊髓压迫后铁死亡的活性和神经功能评分呈显著负相关关系。

图片说明：抗铁死亡相关基因MafG和GPX4在慢性脊髓压迫后4周和8周的表达变化，且其变化主要发生在神经元上

图片说明：Western blotting显示，神经元中的抗铁死亡分子GPX4（谷胱甘肽过氧化物酶4）和MafG（MAF BZIP转录因子G）的表达在慢性脊髓压迫后第4周受到抑制，并在第8周上调。这两种分子的表达相互呈正相关，表明两者可能共同作用于慢性脊髓压迫后的功能恢复。此外，免疫共沉淀显示MafG和Nrf2的相互作用也在慢性脊髓压迫后第4周减少，而在第8周上调。

图示摘要

团队介绍

余正然、程星和潘文序博士为论文共同第一作者，段扬教授为论文通讯作者。

通讯作者：段扬教授

参考文献

[1]Ratan RR. The chemical biology of ferroptosis in the central nervous system. Cell Chem Biol. 2020;27(5):479-498.

[2]Cheng X, Long H, Chen W, et al. The correlation between hypoxia-inducible factor-1α, matrix metalloproteinase-9 and functional recovery following chronic spinal cord compression. Brain Res. 2019;1718:75-82.