恢复组蛋白乙酰化通过改善巨噬细胞时空动力学加速糖尿病伤口修复

本研究发现糖尿病微环境通过激活组蛋白去乙酰化酶（HDAC）途径抑制巨噬细胞组蛋白H3（Lys27）乙酰化，进而破坏STAT1信号传导和免疫功能。丁酸盐（Butyrate）作为HDAC抑制剂可逆转这一表观遗传失调，重塑巨噬细胞转录组，增强其吞噬功能、炎症协调能力和细胞间互作，最终加速糖尿病小鼠伤口愈合，为慢性伤口治疗提供了新策略。

　　

1 引言

代谢紊乱如肥胖和糖尿病常伴随危及生命的继发并发症，包括免疫反应紊乱、血管病变和伤口愈合障碍。组织修复依赖于炎症、增殖和重塑等高度协调的阶段，但慢性伤口无法完成这一生理过程，反而陷入无效的持续炎症状态。巨噬细胞功能紊乱是糖尿病非愈合伤口的标志，其背后机制在单细胞分辨率下仍不明确。本研究报道糖尿病恶劣微环境中巨噬细胞转录组调控表观标记——乙酰化组蛋白H3（Lys27）的丢失，并通过丁酸盐干预恢复这一表观遗传缺陷，加速糖尿病伤口修复。

2 结果

2.1 糖尿病损害组织稳态、再生和免疫反应

通过对比瘦素受体缺陷糖尿病小鼠（db/db）与健康野生型小鼠的皮肤和伤口转录组，发现糖尿病非受伤皮肤中脂生成相关基因（如Fabp4、Pparg）表达增加，而与免疫反应、基质维持和染色质调控相关的基因（如Col1α1、Irf4）表达抑制。糖尿病伤口中免疫重塑基因（如Il1b、Cd68）上调，而组织再生相关基因（如Wnt5a、Sox9）显著抑制。这些转录组改变共同导致糖尿病小鼠伤口愈合延迟。

在高浓度棕榈酸钠（SP）模拟糖尿病代谢条件下，刺激后人巨噬细胞显示促炎标志物（TNFα、IL-23）上调，抗炎标志物（IL-10、CD206）抑制。Western blot分析表明SP下调pSTAT1和pSTAT3蛋白，减少下游效应因子IRF-1和IRF-5，但促炎因子IL-6增加。转录组分析显示SP处理巨噬细胞中HDAC 1类和2类通路基因上调，蛋白水平验证HDAC1和HDAC4表达升高，而pHDAC4/5磷酸化降低，表明核内去乙酰化酶活性增强。

2.2 丁酸盐介导的组蛋白乙酰化恢复加速糖尿病伤口愈合

SP暴露导致巨噬细胞乙酰化组蛋白H3（Lys27和Lys9）显著减少，而甲基化标记不变。使用HDAC抑制剂丁酸盐（Butyrate）或曲古抑菌素A（TSA）处理，可恢复乙酰化组蛋白H3水平并挽救pSTAT1表达。CRISPR表观编辑方法通过dCas9-组蛋白乙酰转移酶（HAT）靶向IRF-1和S100-A8启动子，富集H3K27ac，恢复基因表达。

在db/db小鼠中腹腔注射丁酸盐（500 mg/kg）后，皮肤和伤口中乙酰化组蛋白H3（Lys27）水平升高，巨噬细胞和骨髓白细胞中该标记亦增强。丁酸盐治疗显著加速伤口闭合，改善肉芽组织形成和基质沉积，促进糖尿病伤口愈合。

2.3 HDAC抑制富集免疫反应和组织再生基因

RNA-seq分析显示，丁酸盐处理糖尿病小鼠未受伤皮肤和伤口中JAK-STAT、WNT和MAPK通路相关基因富集，免疫细胞活性相关基因簇（如趋化因子信号、吞噬作用）上调。伤口中Toll样受体信号、胰岛素信号和免疫细胞迁移基因亦增强。火山图分析显示丁酸盐促进免疫调节基因（如Cebpd、Ptx3）、角质形成细胞（Krt2、Flg）和成纤维细胞（Col2α1、Col11α2）基因表达，表明其协调免疫反应和基质重建。

2.4 丁酸盐促进糖尿病伤口中巨噬细胞招募和活性

免疫染色显示丁酸盐治疗组伤口中Arg-1⁺和F4/80⁺巨噬细胞招募增加，pSTAT1表达升高，表明巨噬细胞激活。IGF-1共表达巨噬细胞增多，FACS分析验证Cd163、Cd206和Arg-1⁺巨噬细胞群体扩张。脾脏作为单核细胞储库，亦显示Cd86、Arg-1和F4/80⁺巨噬细胞增加，表明丁酸盐增强全身巨噬细胞扩增和功能。

2.5 单细胞图谱揭示丁酸盐诱导的伤口重塑

scRNA-seq分析涵盖48,000个细胞，鉴定出红细胞、角质形成细胞、巨噬细胞、成纤维细胞等群体。丁酸盐改变糖尿病伤口细胞组成，如增加“巨噬细胞群体4”和“平滑肌细胞群体1”。通路富集显示丁酸盐上调细胞互作、迁移、病原清除、血管生成和紧密连接形成相关基因。巨噬细胞中Mical1、Eng1和Cxcl1基因促进迁移，Siglec1、Rab5c等基因增强吞噬阶段。功能实验证实丁酸盐恢复SP抑制的巨噬细胞吞噬能力。

有趣的是，丁酸盐处理伤口中促炎泛素连接酶Trim12c和抗炎转录因子Foxp1共存，表明混合型巨噬细胞表型。丁酸盐降低IL-1β、IL-6、Litaf和TNFα mRNA水平，抑制CD36表达，上调抗炎基因Fcer1g和Gab1，平衡炎症反应。

2.6 丁酸盐激活修复通路和细胞间互作

CellChat分析显示丁酸盐增强巨噬细胞与角质形成细胞及其干细胞在早期愈合阶段的互作。丁酸盐促进角质形成细胞分化标志K10和先驱因子Sox9表达，支持表皮稳态。成纤维细胞中IGF-1和抗纤维化因子TGF-β3表达上调，与巨噬细胞互作增强，协调基质沉积和炎症消退。

2.7 丁酸盐抑制非愈合伤口中的恶性炎症循环

糖尿病伤口中角质形成细胞核pSTAT3表达增加，巨噬细胞关联脂肪细胞中IL-6升高，丁酸盐处理抑制IL-6表达和pSTAT3诱导。丁酸盐还减少表皮增生，平衡分化标志物（involucrin和K14）表达，恢复正常表皮形态。单细胞数据证实丁酸盐降低角质形成细胞炎症介质表达，促进分化基因表达。

3 讨论

本研究主要发现糖尿病中组蛋白核心特定乙酰化标记缺失是巨噬细胞功能受损的关键驱动因素，丁酸盐通过抑制HDAC逆转这一缺陷。综合转录组和功能分析表明，糖尿病相关脂毒性破坏巨噬细胞转录网络，丁酸盐恢复组蛋白H3乙酰化（Lys27），打开染色质，促进STAT1等转录因子结合，增强吞噬能力和炎症协调。丁酸盐还增加巨噬细胞数量，促进其与角质形成细胞、成纤维细胞的互作，加速基质沉积和表皮恢复。

单细胞转录组景观揭示了丁酸盐对巨噬细胞亚群和其他伤口细胞的益处，促进愈合。糖尿病患者的肠道微生物失调常伴随丁酸盐产生菌减少，本研究强调丁酸盐通过表观遗传调制重编程巨噬细胞功能，克服糖尿病微环境障碍。

4 实验方法

人单核细胞从新鲜血沉棕黄层分离，用GmCSF分化为巨噬细胞，SP、丁酸盐或TSA处理。小鼠伤口愈合实验采用db/db糖尿病模型，腹腔注射丁酸盐（500 mg/kg）。Western blot、免疫荧光、RNA-seq、scRNA-seq、FACS和吞噬实验按标准流程进行。数据使用Hisat2、STAR、Seurat、CellChat等工具分析。统计采用t检验或ANOVA。

致谢

本研究得到德国研究基金会（DFG）等多个项目资助，技术支持来自bwHPC集群。

利益冲突

作者声明无利益冲突。

作者贡献

P.M.和K.S.-K.同等贡献，K.S.设计研究并撰稿，其他作者参与实验和支持，K.S.K.指导研究并撰写手稿。