靶向神经元-星形胶质细胞HMGB1-TLR4-hepcidin-FPN轴介导的逆行铁突触神经胶质耦合缓解雄性小鼠焦虑

《Signal Transduction and Targeted Therapy》：Rescuing anxiety by targeting the neuronal-astrocytic iron signaling axis in male mice

　　

焦虑障碍（anxiety disorders）影响全球超过四分之一人口，但当前一线疗法起效缓慢且疗效有限，凸显对新型致病靶点的迫切需求。心理应激扰乱脑内铁稳态并改变神经环路兴奋性；然而，这两个过程的机制仍不明确。在此，研究人员鉴定出一种神经元与星形胶质细胞之间的细胞类型特异性铁信号通路，其通过调控腹侧海马（ventral hippocampus, vHip）-内侧前额叶皮层（medial prefrontal cortex, mPFC）环路中的突触铁转运介导应激诱导的焦虑。在雄性小鼠慢性束缚应激（chronic restraint stress, CRS）模型中，应激诱导mPFC锥体神经元中活性依赖性HMGB1（high-mobility group box 1）表达与释放，其结合星形胶质细胞TLR4（Toll-like receptor 4）以刺激局部hepcidin（铁调素）分泌。Hepcidin以逆行方式降解vHip–mPFC轴突终末处的ferroportin（FPN），阻断突触前铁外排。由此导致vHip-mPFC投射神经元中铁蓄积，并通过铁塑性（ferroplasticity）机制增加其内在兴奋性及焦虑样行为。值得注意的是，鼻内给予HMGB1/TLR4拮抗剂可有效恢复突触铁通量，并缓解应激诱导和先天高焦虑模型中的焦虑。总之，研究人员的发现定义了一种逆行铁突触神经胶质耦合（retrograde ferrosynaptic neuroglial coupling）机制，通过该机制，应激独立于经典突触传递诱导焦虑。该工作确立HMGB1-TLR4-hepcidin-FPN轴为可成药治疗靶点，并提供一个概念框架以理解铁代谢如何在情绪调控中作为跨细胞社会协调系统运作。

焦虑障碍全球终生患病率超过25%，是负担沉重的精神疾病。慢性应激是主要风险因素，但其重塑病理神经环路的机制仍不清楚。铁既是突触可塑性和神经递质合成的关键辅因子，其失调也涉及多种脑疾病；然而，铁在精神疾病尤其突触界面的作用不明。现有治疗主要靶向单胺系统，但约40%患者反应不足，平均起效2–4周，且存在胃肠道紊乱和性功能障碍等全身副作用。临床影像提示焦虑患者脑内异常铁蓄积，但其功能作用与治疗靶点未明。研究人员先前发现腹侧海马（ventral hippocampus, vHip）-内侧前额叶皮层（medial prefrontal cortex, mPFC）环路中铁外排蛋白ferroportin（FPN）介导的铁转运双向调控焦虑样行为；FPN受hepcidin转录后调控，但中枢FPN-hepcidin相互作用及应激下机制不清。星形胶质细胞包裹突触终末并产生hepcidin，提示跨细胞铁调控可能。基于此，研究人员假设应激通过神经元-星形胶质细胞代谢耦合破坏突触界面FPN铁转运，驱动焦虑。该研究发表于《Signal Transduction and Targeted Therapy》。

关键技术方法概括：研究使用8–12周龄雄性小鼠；C57BL/6小鼠来自南方医科大学实验动物中心，部分转基因品系来自Jackson Laboratories。建立慢性束缚应激（CRS）模型，结合开放场试验（OFT）和高架十字迷宫（EPM）。采用多模态铁同位素⁵⁶Fe/⁵⁷Fe/⁵⁹Fe示踪、铁检测、激光烧蚀-电感耦合等离子体质谱（LA-ICP-MS）、放射性检测和电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）。使用腺相关病毒顺行/逆行追踪、Ribo-Tag、荧光激活细胞分选（FACS）、逆转录定量PCR、酶联免疫吸附测定、免疫印迹、免疫荧光、全细胞膜片钳、稳健活性标记（RAM）/设计药物专属激活受体（DREADDs）化学遗传学、条件敲除和细胞类型特异性过表达/敲低、鼻内给药。

研究结果：
1. 慢性应激损害vHip-mPFC环路区域间铁转运。CRS小鼠表现焦虑样行为；铁检测显示CRS特异性引起vHip铁蓄积而mPFC不受累；⁵⁶Fe、⁵⁷Fe LA-ICP-MS和⁵⁹Fe放射示踪均显示vHip至mPFC铁信号减弱，提示环路铁运输受阻。顺行/逆行追踪显示CRS后解剖连接保留；Ribo-Tag显示投射神经元FPN mRNA未变，提示FPN受转录后沉默。
2. vHip-mPFC投射终末FPN缺失通过破坏铁外排驱动应激诱导焦虑。免疫荧光显示FPN位于轴突终末，CRS降低终末FPN。CRS小鼠vHip-mPFC过表达FPN可挽救焦虑；随后mPFC局部给予FPN抑制剂VIT-2763完全逆转挽救效果，并降低终末FPN。FPN过表达恢复mPFC铁转运，VIT-2763阻断。naive小鼠mPFC注射VIT-2763或Ferroportin-IN-1诱导焦虑。
3. mPFC hepcidin双向调控焦虑样行为。CRS升高血清、肝和mPFC hepcidin，而非vHip；仅mPFC hepcidin与焦虑严重度强相关。mPFC给予重组hepcidin或mini-hepcidins足以诱导FPN降解和焦虑；mPFC给予hepcidin拮抗剂NOX-H94或fursultiamine恢复FPN并挽救焦虑。dmPFC/vmPFC中抑制FPN均复现焦虑。肝特异性Hamp过表达升高循环hepcidin，但不影响mPFC hepcidin或焦虑。
4. 星形胶质细胞是mPFC中致焦虑hepcidin的关键来源。免疫荧光显示CRS诱导hepcidin主要在S100β⁺星形胶质细胞；流式分选显示Hamp mRNA上调限于星形胶质细胞。星形胶质细胞特异性Hamp过表达足以诱导焦虑、终末FPN减少和铁转运障碍；在终末恢复FPN可阻断该焦虑。星形胶质细胞Hamp敲低在CRS中恢复正常hepcidin、焦虑和终末FPN。微胶质细胞Hamp过表达不改变行为。
5. 应激激活神经元通过HMGB1驱动星形胶质细胞hepcidin产生。单/共培养显示应激激素COR或Dex仅在共培养中诱导星形胶质细胞Hamp和hepcidin分泌，且神经元预处理是关键。CRS小鼠mPFC神经元Hmgb1 mRNA和HMGB1蛋白升高，与hepcidin和焦虑相关；神经元HMGB1富集于CaMK2α⁺锥体神经元。体外HMGB1上调星形胶质细胞Hamp/分泌hepcidin，HMGB1中和抗体或glycyrrhizin抑制。
6. 锥体神经元来源HMGB1通过激活hepcidin介导的星形胶质细胞反应驱动焦虑。mPFC注射重组HMGB1模拟CRS，glycyrrhizin抑制CRS诱导的hepcidin和焦虑。CaMK2α⁺神经元Hmgb1敲除阻断CRS HMGB1/hepcidin升高和焦虑；过表达Hmgb1足以复现。双病毒干预（神经元Hmgb1过表达+星形胶质细胞Hamp敲低）显示HMGB1仍高但hepcidin降低、焦虑正常化，表明单向层级神经元→星形胶质细胞。
7. FPN介导的突触前神经元铁蓄积通过ferroplasticity驱动vHip-mPFC超兴奋性。突触阻断剂下全细胞膜片钳显示CRS增加vHip-mPFC投射神经元动作电位发放、输入电阻、去极化静息电位和阈值；FPN过表达正常化，VIT-2763逆转。FACS+ICP-MS显示CRS增加投射神经元铁，FPN过表达恢复，VIT-2763再蓄积。Hmgb1或Hamp敲低也消除超兴奋性和铁蓄积。
8. 活性依赖性神经元HMGB1通过星形胶质细胞hepcidin信号驱动焦虑。RAM标记亚阈值应激激活的mPFC神经元；化学遗传激活（hM3Dq/CNO）升高HMGB1和hepcidin并诱导焦虑；抑制（hM4Di/CNO）在CRS中阻止HMGB1/hepcidin升高和焦虑。双靶RAM激活同时敲低Hmgb1阻断hepcidin和焦虑，表明HMGB1是非冗余分子环节。
9. 星形胶质细胞TLR4是神经元HMGB1驱动焦虑的必需受体。评估TLR2、TLR4、RAGE，只有TLR4缺失阻断mPFC HMGB1诱导的hepcidin和焦虑，TLR4激动剂MPLA复现；体外TLR4-KO星形胶质细胞不响应HMGB1。星形胶质细胞特异性Tlr4条件敲除（Aldh1l1-CreERT2; Tlr4^loxp/loxp）或病毒敲低阻止HMGB1/CRS效应；结合神经元活性标记与星形胶质细胞Tlr4敲低，HMGB1升高不受影响但下游hepcidin和焦虑被阻断。
10. 通过鼻内递送靶向HMGB1-TLR4通路缓解诱导性和先天性焦虑样行为。CRS期间每日鼻内GL或TAK-242降低mPFC hepcidin、缓解焦虑、恢复⁵⁷Fe转运。筛选100只小鼠，取OFT/EPM高焦虑前10%和低焦虑后10%；高焦虑小鼠mPFC hepcidin升高。鼻内GL或TAK-242正常化mPFC hepcidin并减轻先天高焦虑行为。

讨论部分总结：研究定义HMGB1→星形胶质细胞TLR4→hepcidin→突触前FPN轴，提出逆行铁突触神经胶质耦合机制，解释应激如何转译为持久环路超兴奋。铁塑性由此从局部、细胞自主过程扩展为区域间神经胶质协调；三联突触被重新定义为代谢门控枢纽而非仅清除神经递质。中枢铁调控与系统铁解耦，星形胶质细胞hepcidin必要，而微胶质细胞hepcidin过表达无效。HMGB1作为应激翻译器，连接心理应激与炎症/TLR4诱导焦虑机制。鼻内HMGB1/TLR4拮抗剂非侵入、跨血脑屏障，在应激诱导和先天高焦虑模型均有效，提示代谢恢复治疗及生物标志物潜力。局限包括仅雄性小鼠、缺乏突触铁释放和储存的直接证据、环路特异性未完全界定、其他mPFC细胞FPN作用未探索、内在超兴奋离子通道机制未明、长程轴突铁生理功能多属推断。

研究结论翻译：总之，通过定义“逆行铁突触神经胶质耦合”，该工作在三方面实现范式转变：将铁塑性从局部、细胞自主过程推进为区域间神经胶质协调机制；将三联突触重新定义为代谢门控中枢而非仅神经递质清除；确立中枢铁代谢为调控情绪行为的自主系统。研究人员发现铁不仅是代谢辅因子，也是介导神经元-星形胶质细胞互作的关键信号分子，并将HMGB1-TLR4-hepcidin-FPN轴确定为焦虑障碍的精准治疗靶点。理解这种铁突触对话开辟了神经铁学（neuroferrology）新前沿，为理解和治疗应激相关精神疾病提供新框架。