甲酸钠通过线粒体损伤机制诱导神经元细胞毒性——揭示糖尿病神经病变与视网膜病变的关键致病机理

本研究针对高血糖条件下有毒一碳代谢物（特别是甲酸）积累可能导致糖尿病并发症的假说，香港中文大学医学院的研究团队以HT22小鼠海马神经元为模型，系统研究了甲酸钠(SF)的神经毒性机制。研究发现SF通过线粒体ROS积累、膜电位(MMP)下降和ATP合成抑制等途径，导致细胞周期阻滞和凋亡死亡。该研究为糖尿病神经病变和视网膜病变的发病机制提供了新的分子解释，发表于《Scientific Reports》。

　　

糖尿病并发症的发病机制一直是医学研究的重点难点。近年来，科学家们注意到一个有趣现象：甲醇、甲醛和甲酸等一碳代谢物在糖尿病患者体内异常升高。这些"代谢垃圾"是否在糖尿病并发症中扮演关键角色？特别是甲酸（formic acid），这种最早从蚂蚁体内分离的简单有机酸，已知能通过抑制细胞色素氧化酶引发毒性，但其在糖尿病相关神经损伤中的具体作用机制仍不清楚。

香港中文大学（深圳）医学院深圳市甾体药物发现与开发重点实验室的Tian Hao Xiao和Bao Ting Zhu教授团队，在《Scientific Reports》发表的重要研究揭开了这一谜题。研究人员选择HT22小鼠海马神经元细胞系作为模型，采用25-100 mM浓度梯度的甲酸钠(SF)处理，通过多组学联用技术系统解析了甲酸诱导神经毒性的分子机制。

研究主要采用以下关键技术方法：1）细胞活力检测（MTT和CCK-8法）；2）线粒体功能分析（JC-1检测膜电位、Seahorse XFp实时ATP测定）；3）氧化应激指标检测（MitoSOX测线粒体ROS、DCFH-DA测总ROS）；4）转录组测序（RNA-seq）；5）透射电镜观察线粒体超微结构；6）流式细胞术分析细胞周期和凋亡。

【SF诱导HT22细胞毒性】研究首先确认SF呈浓度和时间依赖性降低细胞活力。MTT检测显示24小时IC₅₀约为100 mM，而结晶紫染色显示细胞数量减少程度较轻，提示SF可能优先影响线粒体功能。电镜观察到SF处理组线粒体嵴结构破坏，出现自噬体包裹损伤线粒体的现象。

【SF破坏线粒体功能】JC-1染色显示SF显著降低线粒体膜电位(MMP)，75 mM处理72小时使MMP下降39.7%。Seahorse分析证实SF使线粒体ATP合成率降低53%，而糖酵解ATP仅轻微受影响。SDH活性检测发现SF直接抑制该关键酶活性，但不改变其蛋白表达水平。

【氧化应激反应】MitoSOX检测显示SF处理24小时即可引起线粒体ROS显著积累，继而导致细胞总ROS和脂质ROS水平升高。伴随GSH耗竭，形成氧化应激恶性循环。转录组分析发现氧化磷酸化相关基因（如Ndufv3、Atp5mf等）表达异常。

【细胞周期与死亡机制】EdU掺入实验证实SF阻滞细胞于S期，抑制DNA合成。Annexin V/PI双染显示高浓度SF（75 mM）诱导凋亡，这一过程可被caspase抑制剂z-VAD-FMK阻断，而坏死抑制剂Nec-1和铁死亡抑制剂Fer-1无保护作用。

该研究首次系统阐明甲酸通过多重机制破坏神经元线粒体功能：1）直接抑制细胞色素氧化酶和SDH活性；2）诱导线粒体ROS爆发；3）引起mPTP开放和MMP崩溃；4）导致ATP合成障碍。这些发现为"高血糖-甲酸积累-线粒体损伤-神经病变"的致病链条提供了实验证据，对理解糖尿病并发症机制具有重要启示。特别值得注意的是，研究中发现的线粒体自噬现象（II型和III型）为探索神经保护策略提供了新思路。未来研究可进一步验证甲酸清除剂或线粒体保护剂在糖尿病神经病变防治中的应用潜力。