线粒体功能障碍与氧化应激防御受损作为X连锁肾上腺脑白质营养不良脑表型潜在触发机制的研究

《Free Radical Biology and Medicine》：Mitochondrial Dysfunction and Impaired Oxidative Stress Defense as Potential Trigger of Cerebral X-linked Adrenoleukodystrophy

本研究针对X连锁肾上腺脑白质营养不良（X-ALD）不同临床表型（CALD与非CALD）的发病机制，通过检测患者成纤维细胞中活性氧（ROS）水平、线粒体功能及NRF2通路基因表达，发现非CALD细胞虽基线氧化状态更差，但应对额外应激时展现出更强的防御补偿能力，为表型分化机制和靶向治疗提供新依据。

　　

在罕见病研究领域，X连锁肾上腺脑白质营养不良（X-linked adrenoleukodystrophy, X-ALD）始终是困扰医学界的难题。这种由ABCD1基因突变引起的过氧化物酶体疾病，虽然已知会导致极长链脂肪酸（VLCFA）的异常累积，但最令人困惑的是其高度可变的临床表现：患者可能终身无症状，也可能在儿童期就爆发致命的脑型ALD（CALD），或成年后发展为肾上腺脊髓神经病（AMN）。更棘手的是，相同基因突变的家族成员可能发展出完全不同的表型，而目前唯一有效的治疗方法——造血干细胞移植，必须在CALD极早期实施。这种“基因相同、命运殊途”的现象，暗示着除VLCFA累积外，必有其他关键机制在幕后操控。

正是为了解开这一谜团，来自哥廷根大学医学中心的研究团队将目光投向了细胞能量工厂——线粒体，以及与之密切相关的氧化应激平衡。近年来，越来越多的证据表明，X-ALD患者细胞和组织中存在氧化应激升高和线粒体功能异常的信号，但这些变化究竟是疾病的“因”还是“果”，它们又如何影响不同表型的发生，仍是一片模糊。理解这些机制，对于开发能预测疾病进程的生物标志物、以及干预CALD发生的治疗策略至关重要。该研究发表于《Free Radical Biology and Medicine》，通过系统比较CALD与非CALD患者来源的成纤维细胞，描绘了一幅精细的代谢应激图谱。

研究人员运用了多种关键技术：利用H₂DCFDA测定活性氧（ROS）水平；通过Seahorse XFe24能量分析仪评估线粒体呼吸功能，包括基础耗氧率（OCR）和备用呼吸容量（SRC）；采用定量PCR分析NRF2通路下游基因（NQO1、AKR1B10、AKR1C1）的表达；结合共聚焦显微镜和STED超分辨率显微镜观察线粒体与过氧化物酶体的结构和空间关系。研究队列包括14例来自8个家庭的X-ALD患者（含CALD和非CALD表型）及健康对照的成纤维细胞系。

1. 表征14个X-ALD患者细胞系

研究选取了具有不同ABCD1基因突变和临床表型的患者成纤维细胞，构建了能反映X-ALD异质性的细胞模型，为后续比较不同表型的代谢差异奠定了基础。

2. X-ALD成纤维细胞对C26:0敏感性增加

MTT实验显示，C26:0处理导致所有细胞系出现剂量依赖性存活率下降，但X-ALD细胞，尤其是CALD细胞，在较低浓度下就表现出显著更高的敏感性，提示其对VLCFA毒性更易感。

3. X-ALD成纤维细胞中ROS水平升高

在基础状态下，X-ALD细胞的ROS水平高于健康对照。使用叔丁基过氧化氢（TBHP）应激后，X-ALD细胞的ROS升高幅度更大。而C26:0应激引起的ROS升高在健康细胞中更明显，导致各细胞系在最高浓度下ROS水平趋于一致。两种应激源均未引起CALD与非CALD细胞间的ROS差异。

4. X-ALD成纤维细胞表现出线粒体功能障碍

线粒体压力测试显示，X-ALD细胞的基础OCR显著低于健康对照。尤为关键的是，非CALD细胞的基础OCR甚至低于CALD细胞，但其备用呼吸容量（SRC）却与健康细胞相当，并显著高于CALD细胞。这表明非CALD细胞基线代谢水平虽低，但应对能量需求激增的潜力更强。

5. C26:0和TBHP暴露下的线粒体功能受损

预先暴露于TBHP会显著增加健康细胞和部分CALD细胞的质子漏，并降低基础OCR和ATP产量，但非CALD细胞几乎不受影响。C26:0暴露则引起健康细胞和CALD细胞的基础OCR和ATP产量剂量依赖性下降，但同样不显著影响非CALD细胞。这表明非CALD细胞对两种应激源均具有更强的耐受性。

6. X-ALD中过氧化物酶体-线粒体轴受损

显微成像分析发现，X-ALD细胞中过氧化物酶体与最近线粒体之间的平均距离大于健康细胞，且此效应在CALD细胞中比非CALD细胞更显著，提示细胞器间通讯可能受损。但线粒体纳米结构（通过STED观察）和细胞器数量未见显著改变。

7. X-ALD中氧化应激稳态在遗传水平上失调

在基础状态下，X-ALD细胞（尤其是非CALD细胞）的NRF2通路下游基因（NQO1、AKR1B10、AKR1C1）表达显著低于健康对照。C26:0应激后，健康细胞的NQO1表达上调，而X-ALD细胞反应不足；但非CALD细胞的AKR1B10和AKR1C1表达出现更强的应激性上调，甚至超过CALD细胞水平，提示其抗氧化基因的诱导能力更强。

8. X-ALD表型氧化状态比较

综合各指标，非CALD细胞在基线状态下呈现出更差的氧化状态（低OCR、低NRF2基因表达、高ROS），但在应对额外应激时，却展现出优于CALD细胞的防御和补偿能力。

讨论与结论

本研究深入揭示了X-ALD不同临床表型背后的细胞代谢差异。核心发现是，非CALD细胞并非处于更“健康”的状态，相反，其基线氧化应激和线粒体功能受损更甚。然而，正是这种持续的“低水平运转”可能触发了更强大的适应性反应，使其在面临TBHP或C26:0等额外挑战时，能通过维持SRC、快速上调AKR1B10/AKR1C1等抗氧化基因，更有效地维持细胞稳态。而CALD细胞则可能因适应性反应不足，在应激下更易崩溃。过氧化物酶体与线粒体空间距离的增加，进一步支持了细胞器间代谢协作（如脂肪酸穿梭）障碍可能参与发病机制。

这项研究的意义在于，它将X-ALD的表型差异与细胞应对氧化应激的内在能力差异联系起来，为理解疾病进程提供了新视角。研究提示，NRF2通路及相关基因的表达特征，有望成为预测疾病表型或进展风险的潜在生物标志物。此外，研究结果支持了针对NRF2通路或线粒体功能进行干预的治疗策略（如正在研究的PPARγ激动剂leriglitazone）的合理性，并提示这类治疗可能对预防非CALD表型向CALD转化具有价值。总之，该工作为开发X-ALD的个体化监测方案和新的治疗途径奠定了重要的理论基础。