cGAS/STING与脑-肠-肝轴紊乱及脑缺血中的全身性炎症有关

《Biochemical and Biophysical Research Communications》：cGAS/STING Is Associated with Brain-Gut-Liver Axis Disturbance and Systemic Inflammation in Cerebral Ischemia

　　

Xili Yan|Liangbin Shi|Fuping Wen|Jie Luo|Jingyi Hu|Lili Gai|Xiuling Zhu|Zhongxing Hou|Qiang Li|Jian Zhao|Zhiliang Xu|Yingdi Zhao

中国安徽省芜湖市241002，皖南医学院研究生院

摘要

脑缺血会引发一系列全身性炎症反应，这些反应与脑-肠-肝轴功能紊乱密切相关，但其背后的分子机制至今尚未完全明了。本研究旨在阐明环GMP-AMP合成酶/干扰素基因刺激物（cGAS/STING）信号通路在脑缺血后破坏肠-肝轴稳态中的作用机制。我们采用大脑中动脉闭塞大鼠模型，结合行为学、组织学、分子生物学和生物化学检测方法进行多学科研究。研究发现，MCAO引起的脑梗死会导致严重的神经功能缺陷和行为障碍。同时，Western blot分析显示海马区caspase-3、STING、cGAS以及磷酸化的IRF3表达显著上升。与这些变化一致，结肠和肝脏组织中caspase-3、STING、cGAS和IRF3的蛋白水平也有所升高，而结肠中紧密连接蛋白ZO-1和Occludin的表达则下降。MCAO模型结肠的H&E染色和电子显微镜观察显示黏膜结构受损、隐窝萎缩以及炎症浸润，同时微绒毛减少且变形，紧密连接功能受损。这些变化与结肠和肝脏中IL-12和IL-18水平升高等现象相吻合。免疫荧光实验证实MCAO模型结肠中cGAS表达上升。RT-qPCR分析显示，结肠中cGAS、STING、IL-12和IL-18的mRNA表达显著升高；肝脏中IL-12、IL-18、IFN-γ和IL-1β的mRNA表达上升；海马区IFN-γ、IL-1β、IL-18和IL-12的mRNA表达增加。我们的研究结果表明，脑缺血引发的全身性炎症和肠-肝轴功能障碍可能与cGAS/STING通路的激活有关。

引言

缺血性卒中是全球主要的死亡原因之一，其发病率、死亡率及致残率均很高[1]。脑动脉粥样硬化、狭窄、闭塞或血栓形成导致的血管壁损伤会引发脑组织的局部缺血和缺氧性坏死，进而出现各种神经系统症状和体征[2]、[3]。氧化应激和炎症[4]是脑缺血损伤中的核心病理过程[5]。初始缺血造成的脑损伤往往不可逆，但炎症反应可能会持续数天，进一步加重继发性神经免疫功能障碍，扩大脑梗死的范围[6]。

近年来，人们越来越认识到脑-肠轴在维持人体健康中的重要性。越来越多的证据表明，肠道微生物失衡是肝脑病理生理过程中的重要调节因素，肠道功能的紊乱会在肝脏、神经系统和胃肠道之间形成一种病理性关联，这种关联是通过微生物、代谢和免疫之间的双向相互作用实现的[7]、[8]。脑-肠-肝轴是人体内重要的双向通信网络，构成了一个复杂的三元交互系统。在这个系统中，肠道屏障的完整性对于维持脑-肠间的通信至关重要。一旦肠道屏障功能受损，细菌产物和代谢物就会进入门静脉循环，从而引发或加剧肝脏病变。当肠道感知到营养物质后，肠内分泌细胞会释放肽类和激素，这些物质进入血液循环后，会作用于外周迷走神经末梢、脊髓感觉神经元以及中枢神经系统，进而通过肝脏的副交感神经途径调节肠道功能并调控局部旁分泌活动[9]、[10]。

胞质DNA感应通路cGAS/STING是先天免疫反应中的关键介质。在正常生理状态下，基因组DNA和线粒体DNA都严格隔离在细胞质之外；然而，当它们异常出现在细胞质中时，就会形成一种危险相关分子模式（DAMP），并被模式识别受体cGAS所识别[11]。在生理状态下，专门的DNA外切酶系统能够有效清除细胞质中的DNA，从而防止该通路的异常激活。DNA与cGAS结合后，cGAS会发生构象变化，从而激活其酶活性，进而合成第二信使cGAMP。这种分子又会通过STING/TANK结合激酶1（TBK1)/IRF3级联反应启动下游的免疫信号传导[12]。先前的研究表明，在细胞凋亡过程中，线粒体外膜通透性的增加会促使线粒体RNA（mtRNA）释放到细胞质中。相反，执行型caspase-3和caspase-7则会抑制细胞质中的mtRNA启动促炎信号传导。值得注意的是，在cGAS/STING通路功能缺陷的“冷”肿瘤模型中，仅上述过程就足以在肿瘤微环境中激活固有的I型干扰素信号通路[13]。尽管现有研究主要探讨了cGAS-STING信号通路在脑缺血卒中后原发性脑损伤中的作用[14]、[15]，但其在脑缺血后破坏肠-肝轴稳态的具体调控机制仍不明确。本研究旨在阐明cGAS/STING通路在脑缺血模型中如何介导脑-肠-肝轴上的多器官损伤和炎症反应的分子机制，为开发针对脑缺血卒中患者多器官交互紊乱的新疗法提供依据。

章节节选

实验动物

本研究使用的实验动物为雄性无特定病原体SPF级Sprague-Dawley大鼠（6-8周龄，体重230 ± 20克），由青龙山动物实验中心提供（实验动物生产许可证编号：SCXK(上海) 2018–0004）。本研究未使用任何统计方法来确定样本量[16]、[17]。这些大鼠被饲养在皖南医学院符合SPF级标准的实验室笼舍中，每笼3-4只，可自由获取灭菌饲料和

MCAO模型大鼠表现出严重的行为异常

为了直观评估MCAO后的脑缺血情况，我们在对对照组和MCAO组大鼠实施安乐死后采集脑组织，用于TTC染色分析。结果显示，MCAO模型大鼠大脑的冠状切片具有典型的缺血特征（见图1A）。在建立模型并采集组织之前，我们对两组大鼠进行了神经功能评分和开放场试验。Longa评分显示，与对照组相比，MCAO模型组的

讨论

卒中是全球导致残疾和疾病的主要原因之一。其发病率的不断上升使得更多人出现运动协调障碍、感觉异常等神经功能缺陷，以及记忆力减退、执行功能障碍等认知问题[23]。在本研究中，通过建立MCAO模型，我们发现MCAO组大鼠的神经功能评分明显升高，

CRediT作者贡献声明

Xiuling Zhu：资金获取、数据整理、数据分析。Zhongxing Hou：研究指导、软件使用、资源提供。Lili Gai：结果可视化、项目管理、方法设计。Yingdi Zhao：论文撰写——审阅与编辑。Zhiliang Xu：论文撰写——审阅与编辑、资金获取。Xili Yan：论文撰写——初稿撰写、项目管理、方法设计、实验开展。Qiang Li：结果可视化、项目管理、实验开展。Jian Zhao：论文撰写——审阅与编辑。Jie Luo：研究指导，

利益冲突声明

作者声明不存在任何利益冲突。

伦理声明

本研究中大鼠的饲养及实验操作均遵循皖南医学院实验动物福利与伦理委员会制定的动物实验相关规范，并已获得当地伦理审批。

数据可用性

本研究期间生成和/或分析的所有数据，可在合理请求下从相应作者处获取。

资金来源

本研究得到了安徽省高校优秀青年科学科研计划（编号：2024AH020014）、国家自然科学基金（编号：82072890）、皖南医学院高层次人才科研启动基金（编号：12060201161）、皖南医学院中青年科研人员研究基金（编号：WK2023ZQNZ20）、安徽省重点科学研究计划（编号：2024AH051965）以及安徽省其他相关资助的支持。

利益冲突声明

作者声明不存在任何利益冲突。