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创伤性脑损伤（TBI）分为高海拔和低海拔 TBI，高海拔 TBI 病情更严重，但机制不明。研究人员构建高海拔缺氧 TBI 小鼠模型，发现高海拔缺氧通过上调 BACH1 加重 TBI，为 TBI 机制研究和靶向治疗提供理论基础。
在医学领域，创伤性脑损伤（Traumatic Brain Injury，TBI）是导致残疾和死亡的主要原因之一。TBI 根据受伤发生的海拔高度，被分为低海拔 TBI 和高海拔 TBI。高海拔地区，通常指海拔 3000 米以上，那里独特的低氧环境让 TBI 的情况变得更加复杂和棘手。大量研究表明，相较于低海拔 TBI，高海拔 TBI 患者往往伴随着更严重的神经功能损伤和更高的死亡率 。然而，高海拔缺氧究竟是如何在 TBI 的发病过程中发挥作用的，这一问题一直困扰着科研人员。随着经济发展和社会变化，越来越多的人前往高海拔地区工作或旅游，高海拔 TBI 的发病率也在逐渐上升，因此，深入探究高海拔缺氧加重 TBI 的病理过程迫在眉睫。
为了解开这一谜团，第四军医大学西京医院神经外科等单位的研究人员开展了相关研究。他们的研究成果发表在《Cell Death Discovery》上，为进一步理解高海拔缺氧 TBI 的机制和靶向干预治疗奠定了理论基础。
研究人员运用了多种关键技术方法。在动物实验方面，选用 6 - 8 周龄的雄性 C57BL/6 小鼠，利用小型低压氧舱模拟高海拔低氧环境，构建了不同海拔高度（4000 米、6000 米、8000 米）的控制性皮质撞击（CCI）TBI 小鼠模型。通过神经行为学测试（包括改良神经功能评分（mNSS）、转棒试验、高架十字迷宫试验）评估小鼠的神经功能、运动功能和焦虑样行为。在分子生物学层面，运用单细胞核 RNA 测序（snRNA - seq）分析大脑皮质细胞的基因表达变化，结合蛋白质免疫印迹（Western blotting）、免疫荧光染色等技术检测相关蛋白的表达水平，还通过酶联免疫吸附测定（ELISA）检测缺氧诱导因子 - 1α（HIF - 1α）的含量，以此深入探究高海拔缺氧加重 TBI 的潜在机制。
下面来看看具体的研究结果：
- 高海拔缺氧加重 TBI 诱导的小鼠神经损伤：研究人员建立不同海拔的 TBI 小鼠模型后，进行神经功能评估。mNSS 评分显示，与低海拔假手术（LAS）组相比，低海拔 TBI（LAT）组小鼠的 mNSS 显著升高，且在伤后第 3 天达到最高。进一步分析发现，随着海拔升高，4km 高海拔 TBI（HAT - 4 km）组、6km 高海拔 TBI（HAT - 6 km）组和 8km 高海拔 TBI（HAT - 8 km）组的 mNSS 依次显著增加，表明高海拔缺氧加剧了 TBI 小鼠的神经功能缺损，且损伤程度随海拔升高而加重。转棒试验结果表明，TBI 导致不同海拔小鼠的运动功能障碍，LAT 组小鼠转棒潜伏期明显缩短，在伤后第 3 天最短。同样，HAT - 4 km 组、HAT - 6 km 组和 HAT - 8 km 组的转棒潜伏期随着海拔升高依次显著缩短，说明高海拔缺氧加重了 TBI 小鼠的运动功能障碍。高架十字迷宫试验评估焦虑样行为发现，与 LAS 组相比，LAT 组小鼠在开放臂的停留距离百分比和停留时间百分比均显著降低，总距离无差异。随着海拔升高，HAT - 4 km 组、HAT - 6 km 组和 HAT - 8 km 组在开放臂的停留距离百分比和停留时间百分比进一步显著降低，表明高海拔缺氧加剧了 TBI 小鼠的焦虑样行为。综合这些结果可知，高海拔缺氧加重了 TBI 诱导的小鼠神经损伤。
- 高海拔缺氧加重 TBI 诱导的小鼠组织病理学损伤：对不同海拔 TBI 小鼠进行组织病理学评估。大脑大体标本显示，不同海拔 TBI 组小鼠损伤区域均出现不同程度的挫伤、出血和水肿，血液延伸至蛛网膜下腔，且随着海拔升高，出血体积逐渐增加。计算脑水含量发现，LAT 组小鼠脑水含量显著高于 LAS 组，HAT - 4 km 组、HAT - 6 km 组和 HAT - 8 km 组的脑水含量随着海拔升高依次显著升高，表明高海拔缺氧加重了 TBI 后的脑水肿。EB 外渗试验评估血脑屏障（BBB）完整性发现，TBI 组小鼠脑组织中的 EB 含量显著高于相应的假手术组，且随着海拔升高，更多的伊文思蓝（EB）渗入脑组织，说明高海拔缺氧加剧了 TBI 导致的 BBB 损伤。检测 HIF - 1α 含量评估组织缺氧情况，结果显示 LAT 组小鼠 HIF - 1α 水平显著高于 LAS 组，且 HAT - 4 km 组、HAT - 6 km 组和 HAT - 8 km 组的 HIF - 1α 水平随着海拔升高依次显著升高，表明高海拔缺氧导致脑组织缺氧更严重。HE 染色观察皮质和海马神经元形态发现，LAS 组神经元排列整齐，无损伤；LAT 组出现损伤区域，坏死神经元增多，海马神经元轻微肿胀；随着海拔升高，HAT - 4 km 组、HAT - 6 km 组和 HAT - 8 km 组的损伤区域逐渐增大，神经元水肿、形态异常等情况愈发严重。这些结果表明，TBI 诱导了 BBB 破坏、脑水肿、组织缺氧和神经元损伤，高海拔缺氧加剧了这些病理变化。
- 单细胞核 RNA 测序（snRNA - seq）分析揭示高海拔 TBI 后皮层神经元的改变：对 LA_TBI 和 HA_TBI 两组小鼠的损伤脑组织进行 snRNA - seq 分析，通过无监督聚类和已知细胞类型特异性标记物，鉴定出 10 种不同的细胞类型。结果发现，HA_TBI 组神经元的比例显著高于 LA_TBI 组，而非神经元细胞的比例下降，说明高海拔 TBI 导致非神经元细胞死亡增加。进一步将神经元细胞细分为兴奋性神经元和抑制性神经元，发现 HA_TBI 组兴奋性神经元的比例升高。GO 分析显示，HA_TBI 组兴奋性神经元中上调的差异表达基因（DEGs）富集在与突触和跨膜转运体相关的通路，下调的 DEGs 富集在 mRNA 加工、GTP 酶调节活性和轴突相关过程。KEGG 通路分析表明，HA_TBI 组兴奋性神经元中与矿物质吸收、糖酵解 / 糖异生和 cGMP - PKG 信号通路相关的基因显著富集。对于抑制性神经元，GO 分析发现其上调的 DEGs 富集在轴突和突触相关过程，下调的 DEGs 富集在神经元凋亡过程的调节、GTP 酶调节活性等功能，但两组抑制性神经元的 KEGG 通路无显著差异。这些结果表明，HA_TBI 中神经元的变化主要与神经元结构和功能相关。
- snRNA - seq 分析揭示 Bach1 可能是参与高海拔 TBI 后星形胶质细胞铁死亡的关键分子：聚焦于星形胶质细胞群体，研究人员从两组小鼠中鉴定出 358 个星形胶质细胞，并进一步聚类为三个亚型。虽然两组都有相同的亚型且组成相似，但 HA_TBI 组星形胶质细胞的数量显著减少。对 LA_TBI 和 HA_TBI 组星形胶质细胞的 DEGs 分析发现，HA_TBI 组中与 mRNA、突触和 GTP 酶相关的过程以及与神经退行性疾病、产热、铁死亡、氧化磷酸化、脂肪酸代谢和柠檬酸循环相关的 KEGG 通路显著富集，表明铁死亡可能介导了高海拔缺氧下 TBI 中星形胶质细胞的能量代谢改变。GSEA 分析显示，HA - TBI 组星形胶质细胞中铁死亡通路的富集显著增加，且铁死亡标记物 Fth1、Acsl3 和 Slc3a 的表达在 HA_TBI 组星形胶质细胞中显著增加，在神经元中也有显著增加，但在 ECs 和小胶质细胞中表达极低。转录因子分析发现，Bach1 在 HA_TBI 组显著升高，且在星形胶质细胞差异基因火山图的上调区域显著突出，表明 Bach1 可能是介导高海拔缺氧 TBI 中铁死亡的关键分子。
- 高海拔 TBI 后星形胶质细胞中 Bach1 表达和铁死亡的改变：通过 Western blot 和免疫荧光染色实验验证 snRNA - seq 结果，发现 Bach1 蛋白水平在 LA_TBI 和 HA_TBI 组均显著高于各自的假手术组，且 HA_TBI 组高于 LA_TBI 组；Fth1 蛋白水平在 LA_TBI 和 HA_TBI 组均显著低于各自的假手术组，且 HA_TBI 组低于 LA_TBI 组。这表明 TBI 触发 Bach1 表达增加和 Fth1 表达减少，高海拔缺氧加剧了这种效应。检测 ROS 水平发现，LA_TBI 和 HA_TBI 组的 ROS 水平均显著高于各自的假手术组，且 HA_TBI 组高于 LA_TBI 组，说明高海拔缺氧诱导铁死亡，导致 ROS 产生增加。这些数据表明，Bach1 可能通过介导星形胶质细胞铁死亡在高海拔 TBI 的发病机制中发挥作用。
- 敲低 Bach1 可抑制星形胶质细胞铁死亡并改善高海拔 TBI 诱导的小鼠神经功能缺损：为验证 Bach1 是否通过介导铁死亡参与高海拔缺氧 TBI 的病理过程，研究人员通过向小鼠右侧大脑皮层注射腺相关病毒（rAAV2/5 - GFAP - EGFP - 5′miR - 30a - shRNA Bach1 - 3′miR - 30a - WPREs）来调节 Bach1 的表达。行为学测试结果显示，敲低 Bach1 后，HAT + sh - Bach1 组小鼠的 mNSS 评分显著低于 HAT + sh - ctrl 组，转棒潜伏期显著延长，在高架十字迷宫试验中，HAT + sh - Bach1 组小鼠在开放臂的停留距离百分比和停留时间百分比显著增加，表明敲低 Bach1 可缓解高海拔缺氧 TBI 导致的神经功能缺损、运动功能障碍和焦虑样行为。Western blot 结果显示，HAT + sh - Bach1 组小鼠的 Bach1 表达显著降低，Fth1 表达显著升高，ROS 水平显著降低，说明敲低 Bach1 可有效逆转高海拔缺氧 TBI 诱导的星形胶质细胞铁死亡。
综合上述研究，研究人员发现高海拔缺氧通过上调星形胶质细胞中 Bach1 的表达，诱导星形胶质细胞铁死亡，进而加重小鼠 TBI 后的脑损伤。敲低 Bach1 能够缓解高海拔缺氧对 TBI 小鼠的加重作用，改善神经功能缺损。这一研究首次利用 snRNA - seq 技术分析高海拔缺氧 TBI 的脑组织，为深入理解高海拔创伤性脑损伤的机制提供了新的视角，也为基于此的靶向干预治疗提供了潜在的重要靶点。不过，该研究也存在一定的局限性，如未对海马区域进行深入的 snRNA - seq 研究，还有其他细胞类型和基因表达变化有待进一步探究，Bach1 的具体调节机制也需要更深入的验证。未来，研究人员将继续深入研究，努力揭示高海拔缺氧 TBI 的完整病理机制，为临床治疗提供更有效的策略。
