CBS/H2S轴调控肠道干细胞稳态及辐射损伤的新机制

《Stem Cell Research & Therapy》：The CBS/H2S axis regulates intestinal stem cell homeostasis and radiation-induced intestinal damage

本研究针对辐射性肠炎中肠道干细胞（ISC）稳态失衡的临床难题，聚焦内源性硫化氢（H2S）生成关键酶胱硫醚-β-合成酶（CBS）的作用机制。通过构建肠道上皮特异性CBS基因敲除小鼠模型，结合类器官培养体系，发现Lgr5+ ISC高表达CBS，且外源性H2S供体GYY4137可促进类器官增殖。值得注意的是，全身性（而非上皮特异性）CBS敲除显著缓解辐射引起的肠黏膜萎缩，提示CBS/H2S轴的辐射防护作用依赖于非上皮细胞的调控。该研究为肿瘤放疗中肠道保护提供了新的靶点策略。

　　

在肿瘤治疗领域，放疗是腹腔盆腔恶性肿瘤的重要治疗手段，但放射线在杀伤癌细胞的同时，会不可避免地损伤健康肠道组织，引发辐射性肠炎。这种并发症不仅导致患者出现营养吸收障碍、出血和全身性炎症，严重时甚至危及生命。肠道黏膜屏障的完整性依赖于肠道干细胞（Intestinal Stem Cells, ISCs）的快速更新能力，而高增殖活性的Lgr5⁺ ISCs对辐射尤为敏感。如何保护这些干细胞免受辐射损伤，同时促进其再生，成为放疗效果提升的关键瓶颈。

以往研究表明，清除辐射诱导的过量活性氧（Reactive Oxygen Species, ROS）是保护ISCs的核心策略。硫化氢（Hydrogen Sulfide, H₂S）作为一种气体信号分子，不仅具有弱抗氧化特性，还能通过诱导细胞自身抗氧化防御系统（如增强谷胱甘肽合成）间接发挥抗氧化作用。此外，H₂S可通过调节ATR激酶活性参与DNA损伤应答。然而，内源性H₂S的主要合成酶之一——胱硫醚-β-合成酶（Cystathionine-β-synthase, CBS）在ISCs稳态维持和辐射损伤中的作用尚不明确。

为解决这一科学问题，Wu等人在《Stem Cell Research & Therapy》发表了题为"The CBS/H₂S axis regulates intestinal stem cell homeostasis and radiation-induced intestinal damage"的研究论文。该研究通过多维度实验体系，系统揭示了CBS/H₂S轴在生理和辐射应激条件下对ISCs的差异化调控机制。

关键技术方法概述

研究采用肠道上皮特异性Villin-CreERT2介导的CBS条件性敲除小鼠和全身性CAGGCre-ER驱动的CBS敲除小鼠模型，结合Lgr5-Tdtomato报告基因小鼠追踪ISCs动态。通过类器官三维培养体系评估CBS抑制剂AOAA和H₂S供体GYY4137对ISCs增殖分化的影响。利用10 Gy全身照射（Total-Body Irradiation, TBI）建立辐射性肠损伤模型，采用免疫组化/免疫荧光（如Olfm4、Ki67、BrdU标记）、Western blot、qRT-PCR等技术分析肠道组织修复情况。生物信息学分析基于GEO数据库单细胞测序数据（GSE92332）挖掘CBS相关信号通路。

CBS在肠道中的表达特征

研究团队首先通过生物信息学分析发现，Lgr5^high ISCs中CBS表达显著高于Lgr5low祖细胞，而其他H₂S合成酶（CSE和3-MST）无此差异。蛋白质水平验证显示，分选的Lgr5⁺ ISCs（CD44⁺CD24^low）中CBS蛋白丰度明显高于分化细胞群体。值得注意的是，盲肠和结肠组织的CBS表达水平显著高于小肠，免疫荧光共定位证实CBS与Lgr5-EGFP在结肠隐窝底部强共表达，提示CBS在ISCs中具有区域特异性高表达特征。

CBS/H₂S轴对ISCs稳态的调控作用

在体实验发现，高剂量AOAA（80 mg/kg）可导致小鼠体重下降、肠道缩短、隐窝深度变浅及Olfm4⁺ ISCs数量减少，而低剂量（20 mg/kg）无显著影响。相反，高剂量H₂S供体GYY4137（200 mg/kg）可轻微增加隐窝深度和增殖细胞数量。类器官实验进一步证实，低浓度GYY4137（0.5-1 mM）促进小肠类器官出芽增殖，而AOAA则呈浓度依赖性抑制生长（1 mM抑制，4 mM导致死亡）。值得注意的是，长期0.5 mM AOAA处理会降低类器官成瘤效率，并伴随Lgr5、Olfm4等干性标志物下调及分化标志物Krt20上调。

基因敲除模型的矛盾揭示微环境重要性

尽管体外实验明确显示CBS/H₂S轴对ISCs的直接调控作用，但肠道上皮特异性CBS敲除（CBS^fl/fl;Villin-CreERT）小鼠在生理状态下并未出现明显的隐窝形态或ISCs数量改变。同样，全身性CBS敲除（CBS^fl/fl;CAGGCre-ER）也未见稳态异常。然而，当采用类器官培养体系时，CBS敲除类器官的出芽数量显著减少，且对AOAA的敏感性增强。这一矛盾提示：在体情况下，肠道微生物来源的外源性H₂S或非上皮细胞的补偿机制可能掩盖了上皮细胞自身CBS缺失的影响。

全身性CBS抑制缓解辐射肠损伤的关键发现

在10 Gy TBI辐射模型中，低剂量AOAA（20 mg/kg）处理意外地减轻了辐射引起的肠道水肿、黏膜萎缩和体重下降，并显著促进隐窝再生（Olfm4⁺ crypts比例增加）和上皮细胞增殖（BrdU⁺细胞增多）。然而，AOAA在体外类器官辐射模型中未显示保护作用。更重要的是，全身性CBS敲除小鼠表现出显著的辐射抗性（肠道长度增加、隐窝结构保存完整），而上皮特异性CBS敲除则无此效应。这一系列证据强有力地表明：CBS/H₂S轴的辐射防护作用主要依赖于非上皮细胞（如免疫细胞）的调控。

生物信息学揭示潜在作用机制

通过GEO数据库单细胞测序数据的GO和KEGG富集分析发现，CBS表达与p53信号转导、DNA损伤应答、胆固醇稳态等辐射相关通路显著相关。特别值得注意的是，CBS与Sgk1、Sfn等免疫调节基因存在显著相关性，提示CBS可能通过调控肠道免疫微环境间接影响ISCs的辐射应答。这为解释"非上皮细胞依赖"的辐射保护效应提供了分子层面的线索。

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研究结论与意义

该研究首次系统阐明了CBS/H₂S轴在肠道干细胞稳态和辐射损伤中的双重角色：在生理状态下，外源性H₂S对ISCs增殖具有促进作用；而在辐射应激条件下，全身性（而非上皮特异性）CBS抑制可通过非上皮细胞机制发挥辐射防护作用。这一发现不仅深化了对气体信号分子H₂S生物学功能的理解，更重要的是为临床放疗防护提供了新思路：针对CBS的抑制剂（如低剂量AOAA）可能成为一种安全有效的肠道放射保护策略，因其在生理状态下不影响ISCs稳态，仅在辐射应激时发挥保护作用。此外，该研究提示肿瘤微环境中的CBS高表达可能与放疗抵抗相关，为靶向CBS的肿瘤增敏治疗提供了理论依据。未来研究需进一步解析参与这一过程的特定免疫细胞亚群及其分子机制，以推动CBS/H₂S轴调控策略的临床转化。