抗坏血酸通过SVCT2介导的摄取缓解血红素加氧酶-1缺乏中的氧化应激和血红素毒性

本研究针对血红素加氧酶-1（HO-1）缺乏症这一罕见遗传病，探索了其病理机制及潜在治疗策略。研究人员通过患者来源细胞和基因编辑模型，发现HO-1缺失导致细胞内抗坏血酸（AA）耗竭、线粒体功能异常和氧化应激加剧，而补充2-磷酸-L-抗坏血酸（AA2P）可通过钠依赖维生素C转运蛋白2（SVCT2）恢复细胞活力并降低H2O2水平，为临床干预提供了新方向。

　　

血红素是人体内一种至关重要的含铁分子，它镶嵌在血红蛋白中负责运输氧气，在线粒体呼吸链中参与能量生产，还在一氧化氮信号传导等生理过程中发挥关键作用。然而，一旦从蛋白质中游离出来，血红素就会摇身一变，成为危险的促氧化剂，对细胞产生毒性。人体进化出了一套高效的清除机制来应对游离血红素的威胁，这套机制的核心就是血红素加氧酶（Heme Oxygenase, HO）。其中，可诱导型的血红素加氧酶-1（HO-1）是细胞应对氧化应激的关键防线，它能将有毒的血红素分解为胆绿素、一氧化碳（CO）和亚铁离子（Fe²⁺），这些产物本身也具有一定的抗氧化和抗炎作用。

当这条重要的防线失守时，后果是灾难性的。HO-1缺乏症是一种极其罕见但致命的遗传性代谢疾病，由HMOX1基因突变引起。患者通常在幼年时期就遭受反复、严重的全身性炎症发作，伴有溶血性贫血、慢性炎症和多器官损伤，目前缺乏有效的治疗方法，预后极差。有趣的是，无论是人类患者还是小鼠模型，在疾病全面爆发前往往存在一段相对稳定的时期，这暗示机体内部可能启动了某种代偿机制来暂时维持平衡。然而，科学家们对这些代偿机制以及HO-1缺失导致如此严重病理变化的深层原因仍知之甚少。氧化损伤被认为是核心环节，但具体的分子通路和代谢改变尚未明确。

为了揭开HO-1缺乏症的神秘面纱，一个由Lea-Sophie Berendes、Petra Schulze Westhoff等来自德国明斯特大学医院普通儿科研究所的研究团队开展了这项深入的研究。他们致力于阐明HO-1缺失下的细胞代谢适应机制，并希望能从中找到潜在的治疗靶点。他们的研究成果发表在《Journal of Biological Chemistry》上。

研究人员为了确保研究结果的可靠性和普适性，精心构建了两个互补的细胞模型：一个来源于HO-1缺乏症患者的淋巴母细胞系（LCL HO-1^MUT/MUT），该患者携带HMOX1基因的复合杂合截短突变；另一个是利用CRISPR/Cas9技术敲除了HMOX1基因的HEK293T细胞（HEK293 HO-1^-/-）。这两个模型分别代表了不同胚层来源的细胞，能够帮助研究者排除细胞类型特异性的干扰，聚焦于HO-1缺失本身带来的共同变化。研究团队综合运用了多种关键技术方法：通过流式细胞术分析细胞活性和增殖；利用RNA测序（RNA-seq）和蛋白质免疫印迹（Immunoblotting）技术检测基因和蛋白表达变化；采用液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）精确测定细胞内抗坏血酸、还原型谷胱甘肽（GSH）和氧化型谷胱甘肽（GSSG）等代谢物水平；借助透射电子显微镜（Transmission Electron Microscopy）观察线粒体超微结构；并使用Seahorse细胞能量代谢分析系统评估线粒体呼吸和糖酵解功能。

患者来源和基因编辑细胞重现HO-1缺乏的关键表型

研究首先证实了两个细胞模型都能成功模拟HO-1缺乏的核心特征：对血红素（Hemin）诱导的毒性高度敏感。当暴露于血红素时，HO-1缺陷细胞的存活率显著低于野生型对照细胞。此外，两种细胞在基线状态下都表现出细胞内过氧化氢（H₂O₂）水平升高，证实了氧化应激的存在。值得注意的是，两种细胞的增殖能力出现了分化：HEK293 HO-1^-/-细胞的增殖速率明显减慢，而患者来源的LCL HO-1^MUT/MUT细胞的增殖却未受影响。这提示HO-1对细胞增殖的调控可能具有细胞类型特异性。

SVCT2上调和抗坏血酸在HO-1缺乏中的矛盾性耗竭

这是本研究最关键的发现之一。通过RNA测序，研究人员发现HO-1缺陷的LCL细胞中，编码主要抗坏血酸转运蛋白SVCT2的基因SLC23A2表达显著上调。他们在蛋白水平验证了这一现象，发现两种HO-1缺陷细胞中的SVCT2蛋白含量都明显增加。 paradoxically（矛盾的是），尽管细胞“努力”上调了摄入抗坏血酸的“泵”，其内部的抗坏血酸水平却显著降低了，在基础状态下就减少了约56-61%。而在血红素刺激下，无论基因型如何，抗坏血酸水平都会进一步下降，表明在氧化挑战下维生素C的消耗加剧了。与此相反，另一种负责摄取脱氢抗坏血酸（DHA）的转运蛋白GLUT1的表达却在HO-1缺陷细胞中下调了。

HO-1缺乏中线粒体形态和生物能量学的改变

线粒体是细胞的能量工厂，也对氧化应激非常敏感。电镜观察发现，HO-1缺陷导致了线粒体形态的异常。在HEK293 HO-1^-/-细胞中，即使没有应激，线粒体也出现了明显的肿胀（宽度、周长和面积增加），血红素刺激加剧了这一现象。而在LCL中，线粒体异常仅在血红素刺激后才变得显著。功能上，HO-1缺陷的HEK293细胞表现出生物能量学受损，其基础呼吸、最大呼吸能力、基础糖酵解和糖酵解能力均显著下降。尽管ATP合酶（复合物V）的活性异常升高，但总细胞ATP含量却保持不变，暗示细胞存在代偿性的代谢重编程。

2-磷酸-L-抗坏血酸（AA2P）挽救HO-1缺陷细胞的活力但不挽救生长速率

基于抗坏血酸耗竭的发现，研究团队测试了补充抗氧化剂的效果。在多种抗氧化剂中，只有稳定的抗坏血酸衍生物AA2P能显著改善HO-1缺陷细胞在血红素挑战下的存活率，且呈剂量依赖性。在最佳浓度（1mM）下，AA2P预处理几乎能将HO-1缺陷细胞的活力完全恢复到野生型水平。更重要的是，AA2P治疗显著降低了HO-1缺陷细胞中 elevated 的H₂O₂水平。然而，AA2P并不能纠正HO-1缺陷细胞受损的增殖速率，说明HO-1在调控细胞存活和增殖方面的功能可能是分离的。

SVCT2介导的抗坏血酸摄取对AA2P在HO-1缺乏中的保护作用至关重要

为了确认AA2P的作用是依赖于细胞内摄入而非单纯的细胞外抗氧化，研究人员使用了磺吡酮（Sulfinpyrazone）——一种SVCT2的特异性抑制剂。结果发现，当SVCT2的转运功能被抑制后，AA2P所提供的保护作用就被完全取消了。这有力地证明，AA2P需要通过SVCT2被细胞摄取并转化为有活性的抗坏血酸，才能发挥其细胞保护效应，排除了其仅作为细胞外自由基清除剂的可能性。

综上所述，这项研究系统地揭示了HO-1缺乏症一种新的代谢特征：即细胞内抗坏血酸耗竭伴随SVCT2代偿性上调、线粒体功能障碍以及以H₂O₂水平升高为标志的氧化应激。研究人员不仅揭示了疾病病理生理的新机制，更重要的是提出了一个极具转化潜力的治疗策略：补充抗坏血酸。研究表明，稳定的抗坏血酸前药AA2P能够通过SVCT2介导的摄取，有效补充细胞内抗坏血酸库，减轻氧化应激，并显著保护HO-1缺陷细胞免受血红素诱导的死亡。

该研究的发现具有多重重要意义。首先，它深化了科学界对HO-1生物学功能的理解，揭示了其在维持抗坏血酸代谢和氧化还原平衡中的核心作用。其次，它为HO-1缺乏症这种致命疾病提供了一个简单、易行且可能快速应用于临床的潜在治疗选择——抗坏血酸补充疗法。抗坏血酸是人体必需维生素，安全性高，获取容易，这使得其临床转化前景非常光明。最后，该研究也可能具有更广泛的影响。因为HO-1的表达和功能在许多常见疾病（如败血症、动脉粥样硬化、神经退行性疾病等）的氧化应激过程中也发生改变，针对抗坏血酸代谢通路的干预或许能为这些疾病提供新的治疗思路。当然，将这项发现推向临床还需要后续的动物模型研究和临床试验来验证抗坏血酸在体内是否能同样有效地改善HO-1缺乏症的临床症状和预后。