基于烟酸盐的药物通过上调抗铁死亡通路来预防神经炎症

《Journal of Neuroinflammation》：Fumarate-based drugs protect against neuroinflammation via upregulation of anti-ferroptotic pathways

铁依赖性非凋亡性细胞死亡（ferroptosis）与多发性硬化症（MS）的髓鞘损伤相关，而二甲基福司汀（DMF）及其衍生物迪罗克西兰福司汀（DRF）通过激活Nrf2通路上调GPX4等抗ferroptosis酶表达，在体外和体内实验中均证实其可减轻ferroptosis诱导的髓鞘损伤，且该保护作用具有疾病特异性。

　　在本研究中，科学家们探讨了两种名为DRF（二甲基富马酸）和MMF（单甲基富马酸）的化合物是否能够通过调节细胞内的铁死亡（ferroptosis）机制来发挥其在治疗多发性硬化症（MS）中的保护作用。铁死亡是一种依赖于铁离子的非凋亡性细胞死亡形式，主要由多不饱和磷脂的过氧化作用引起，最终导致细胞膜破裂。这一过程主要由羟基自由基驱动，而羟基自由基则来源于铁与过氧化氢之间的芬顿反应（Fenton reaction）。在人类和动物模型中，铁死亡已被证实与多种疾病相关，包括神经炎症和多发性硬化症。

多发性硬化症是一种影响中枢神经系统（CNS）的慢性炎症性疾病，全球约有三百万患者。其特征是大脑和脊髓中出现局部脱髓鞘病变，而自发性的髓鞘再生在CNS中受到限制，甚至被抑制，这使得脱髓鞘病变常伴随轴突损伤，从而导致神经功能障碍。多发性硬化症的炎症反应主要由自身反应性T细胞和B细胞介导，这些细胞能够穿过血脑屏障进入中枢神经系统。尽管在过去二十年中，人们对这种疾病的理解不断加深，且已有多种药物被批准用于治疗，但多发性硬化症仍然无法完全治愈。目前的治疗策略主要针对炎症反应，以减少复发频率并延缓疾病进展，因此，寻找非传统的治疗靶点成为研究重点。

近年来，铁死亡被认为可能在多发性硬化症的发病和进展中起关键作用。在人类多发性硬化症患者和实验性自身免疫性脑脊髓炎（EAE）动物模型中，铁离子水平升高、过氧化氢积累以及GPX4（谷胱甘肽过氧化物酶4）水平下降已被观察到。GPX4是唯一能够将氧化的脂质还原为无毒醇类的哺乳动物酶，而它的减少可能导致脂质过氧化物的积累，进而诱发铁死亡。此外，一些研究还发现，脂质过氧化的标志物4-羟基壬烯醛（4-HNE）可以作为区分不同类型的多发性硬化症的生物标志物，如缓解期多发性硬化症（RRMS）与进展期多发性硬化症（PPMS或SPMS）。

为了进一步探讨DRF和MMF是否通过调控铁死亡相关机制来发挥其治疗作用，研究人员在体外和体内实验中进行了详细分析。在体外实验中，他们使用了来自小鼠的脑片培养模型，模拟了铁死亡对髓鞘结构的损害。实验结果显示，DRF和MMF能够显著减少由erastin（一种SLC7A11抑制剂）或铁离子诱导的髓鞘损伤。值得注意的是，这些化合物并未显著降低脂质过氧化水平，而是通过上调GPX4等抗铁死亡蛋白的表达来发挥保护作用。此外，DRF和MMF还能提高其他与抗铁死亡相关的基因表达，如FSP1（ferroptosis suppressor protein 1）和SLC7A11，后者负责维持细胞内谷胱甘肽（GSH）的水平，从而支持GPX4的正常功能。

在体内实验中，研究人员利用了DMF治疗的小鼠模型，分析了其对GPX4表达的影响。结果显示，DMF能够显著提高小鼠大脑白质区域中GPX4的mRNA水平，但对灰质区域影响较小。这一现象在患者的外周血单核细胞（PBMCs）中也得到了验证，DMF治疗一年后，患者的GPX4 mRNA水平显著上升。这些数据表明，DRF和MMF可能通过增强GPX4的表达来抑制铁死亡，从而保护髓鞘结构和神经元功能。

为了验证DRF和MMF是否具有疾病特异性，研究人员还评估了它们在类风湿性关节炎（RA）和骨关节炎（OA）中的作用。RA是一种由自身抗体引发的慢性炎症性疾病，而OA则是一种非自身免疫性的退行性疾病。尽管在RA和OA患者的组织中观察到了脂质过氧化的迹象，但DRF和MMF对这些疾病中脂质过氧化的抑制效果有限，且在某些情况下甚至导致GPX4表达的下降。这表明，DRF和MMF在不同疾病中的作用机制可能存在差异，它们的保护作用可能更多地依赖于特定的细胞类型和疾病环境。

此外，研究还发现，DRF和MMF在不同浓度下对细胞具有不同的影响。较低浓度的这些化合物能够促进抗铁死亡蛋白的表达，从而在一定程度上保护细胞免受铁死亡的损害。然而，较高浓度则可能对细胞产生毒性作用。这一现象与医学中古老的“剂量效应”理论——即帕拉塞尔苏斯（Paracelsus）提出的“激素”效应（hormesis）——相吻合。激素效应指的是低剂量的某些物质能够促进细胞的适应性反应，而高剂量则可能产生有害影响。在本研究中，DRF和MMF似乎也遵循这一规律，它们在低剂量下通过激活Nrf2信号通路来促进抗氧化反应，而在高剂量下则可能干扰正常的细胞功能。

研究还指出，GPX4的表达不仅受到Nrf2信号通路的调控，还可能受到其他因素的影响。例如，在某些细胞类型中，GPX4的表达可能与铁离子的浓度、细胞内的抗氧化能力以及炎症状态有关。此外，研究发现，在RA和OA患者的纤维细胞中，DRF的治疗并未显著提高GPX4的表达，反而导致其水平下降。这一结果提示，DRF和MMF的保护作用可能主要集中在中枢神经系统中的特定细胞类型，如少突胶质细胞（oligodendrocytes）和神经元，而在其他组织中的作用可能不同。

综合来看，本研究提供了新的证据，表明DRF和MMF可能通过激活Nrf2信号通路，促进抗铁死亡蛋白的表达，从而在多发性硬化症中发挥保护作用。这一机制可能与铁死亡在疾病进展中的作用密切相关，因为铁死亡不仅导致髓鞘损伤，还可能促进神经元死亡。因此，抑制铁死亡可能成为治疗多发性硬化症的一个新策略。然而，研究也指出，DRF和MMF的作用可能具有疾病特异性，它们在不同组织中的效果可能受到多种因素的影响，包括细胞类型、炎症程度以及药物浓度等。

值得注意的是，本研究还涉及了多种实验方法，包括组织切片培养、细胞培养、流式细胞术、免疫组化、Western blotting和实时定量PCR（qPCR）。这些方法的结合使得研究人员能够从多个层面验证DRF和MMF对铁死亡的调控作用。例如，通过流式细胞术分析脂质过氧化水平，通过Western blotting和qPCR检测抗铁死亡蛋白的表达变化，以及通过免疫组化观察髓鞘结构的损伤情况。这些实验方法的严谨性确保了研究结果的可靠性和可重复性。

在讨论部分，研究人员还提到，铁死亡可能与其他细胞死亡机制共同作用，如凋亡和焦亡（pyroptosis），从而加剧多发性硬化症的病理过程。此外，铁死亡在其他自身免疫性疾病中的作用也值得进一步研究，例如创伤性脑损伤、肝缺血再灌注损伤、慢性脑缺血和急性肾损伤等。这些疾病中，铁死亡可能同样扮演重要角色，而DRF和MMF的治疗作用可能具有一定的普适性。

总之，本研究不仅揭示了DRF和MMF在多发性硬化症中的潜在治疗机制，还强调了铁死亡在多种疾病中的重要性。通过激活Nrf2信号通路，这些化合物能够促进抗铁死亡蛋白的表达，从而减轻铁死亡带来的损伤。然而，它们的作用可能具有疾病特异性，因此在不同疾病中的应用需谨慎评估。未来的研究可以进一步探讨DRF和MMF在不同疾病中的具体作用机制，以及如何优化其剂量以达到最佳治疗效果。