胶质细胞血红素加氧酶-1（Heme Oxygenase-1, HO-1）调控轻型创伤性脑损伤后的神经炎症与脑血管功能

《Neurochemistry International》：Glial Heme Oxygenase-1 Regulates Neuroinflammation and Cerebrovascular Function After Mild Traumatic Brain Injury

　　

酶类血红素加氧酶-1（Heme Oxygenase-1, HO-1）通过其抗氧化及抗炎特性发挥神经保护功能，然而HO-1及其产物一氧化碳（Carbon Monoxide, CO）影响创伤性脑损伤（Traumatic Brain Injury, TBI）后神经元损害的细胞与分子机制在很大程度上仍不明确。研究人员利用单次打击轻型TBI小鼠模型，通过比较野生型小鼠（Hmox1fl/fl）与小胶质细胞或星形胶质细胞特异性HO-1敲除小鼠（LyzM-Cre-Hmox1fl/fl与GFAP-Cre-Hmox1fl/fl），检测了胶质细胞HO-1的作用。损伤后，小鼠每日暴露于环境空气或CO中。损伤后7天，野生型小鼠表现出显著的小胶质细胞与星形胶质细胞激活，而两种敲除模型均显示胶质细胞激活受损，并伴有脑血管张力增加。CO给药使野生型与HO-1敲除小鼠的胶质细胞激活及血管张力趋于一致。直接的基因型比较揭示GFAP-Cre-Hmox1fl/fl小鼠表现出更显著的促炎表型，其特征为血管张力升高及炎症标志物GFAP和NF-κB表达增加，表明HO-1具有细胞类型特异性功能。综上，研究结果证明小胶质细胞与星形胶质细胞HO-1介导脑部炎症并在TBI后调节血管痉挛。重要的是，本研究明确了星形胶质细胞HO-1在TBI中此前未被认识的作用，并强调了HO-1依赖性胶质细胞相互作用的重要性。CO能够部分挽救HO-1缺失的效应，进一步凸显了靶向HO-1/CO通路在TBI治疗中的潜力。

研究背景与意义

创伤性脑损伤（Traumatic Brain Injury, TBI）是创伤相关疾病中致病率与致死率的首要原因，其中超过90%被归类为轻型（mild）。尽管属轻型分类，轻型TBI仍可导致显著的神经损伤及疲劳、认知障碍、行为问题与精神障碍等长期后果。鉴于轻型TBI带来的巨大社会经济负担，深入理解其潜在机制对于开发减少神经元损害并改善长期预后的有效治疗策略至关重要。血红素加氧酶-1（Heme Oxygenase-1, HO-1）在包括中枢神经系统在内的多器官系统中具有多重保护功能，可催化血红素降解为胆绿素、铁与一氧化碳（Carbon Monoxide, CO）。HO-1在应激条件下可被强烈诱导，既往动物研究表明其诱导具有保护作用，且HO-1-CO轴在出血性卒中中具神经保护与抗炎功能，在重复性TBI中微胶质细胞HO-1与CO亦影响损伤严重程度。然而，在单次打击轻型TBI中，尤其是星形胶质细胞HO-1的贡献仍知之甚少。HO-1主要在脑内小胶质细胞与星形胶质细胞中表达并于TBI后上调，损伤后两者互作塑造神经炎症反应，但胶质HO-1在胶质细胞串扰及损伤反应中的作用尚不明确。基于此，研究人员旨在探索微胶质细胞与星形胶质细胞HO-1及外源性CO在轻型TBI后对神经炎症与神经元损害的作用，假设HO-1决定炎症反应，并利用细胞类型特异性HO-1缺失鉴定介导效应的脑细胞类型。该研究发表于《Neurochemistry International》，首次在轻型TBI背景下探究星形胶质细胞特异性HO-1缺失，明确其在神经炎症中的细胞类型特异性保护作用，并支持HO-1/CO轴靶向治疗的潜力。

主要关键技术方法

研究人员使用雄性11至14周龄小鼠，包括Hmox1^fl/fl野生型对照、LyzM-Cre-Hmox1^fl/fl小胶质细胞特异性HO-1敲除及GFAP-Cre-Hmox1^fl/fl星形胶质细胞特异性HO-1敲除模型，通过杂交构建获得。采用重量坠落装置建立闭合颅盖TBI模型，损伤后随机给予250 ppm CO每日1小时或环境空气处理。于损伤后1天、3天及7天采集组织，进行免疫组化与实时定量聚合酶链反应（Real-time quantitative polymerase chain reaction, qPCR）分析。免疫组化采用Iba-1与GFAP抗体染色分别评估小胶质细胞形态与星形胶质细胞密度，血管调节通过苏木精/伊红（Hematoxylin/Eosin, H&E）染色计算中脑动脉管腔半径壁厚比（vasoregulation index）评估。数据分析采用GraphPad Prism软件，两组比较用Student t检验，多组比较用单因素方差分析（one-way ANOVA）结合Tukey事后检验或双因素方差分析（two-way ANOVA）结合?ídák事后检验，p小于0.05视为显著。所有动物程序经弗莱堡大学动物护理委员会批准并符合ARRIVE指南与欧盟指令。

研究结果

3.1. Prolonged recovery after mild traumatic brain injury in mice

研究人员评估轻型TBI模型影响，记录翻正时间与体重。所有基因型TBI组翻正时间较假手术组显著延长，基因型间无差异；Hmox1^fl/fl小鼠损伤后1天体重减轻显著，敲除模型呈趋势但未达统计显著，7天体重恢复基线，证实模型有效且为轻型TBI。

3.2. Mild TBI induces glial cell activation in wild-type mice

分析野生型小鼠TBI后神经炎症响应，皮质小胶质细胞体大小在损伤后3天无变化，7天显著增大且形态失分支化显示激活；星形胶质细胞密度3天无变化，7天显著增加显示星形胶质增生，确认轻型TBI诱导野生型小鼠胶质细胞激活。

3.3. Glial HO-1 knockout impairs glial cell activation and increases cerebral vasospasm post-TBI

检测细胞类型特异性HO-1敲除影响，损伤后7天LyzM-Cre-Hmox1^fl/fl与GFAP-Cre-Hmox1^fl/fl小鼠皮质小胶质细胞体大小较Hmox1^fl/fl显著减小，星形胶质细胞密度降低，中脑动脉血管调节指数下降显示血管痉挛更严重。表明微胶质细胞与星形胶质细胞HO-1均为轻型TBI后脑部炎症关键介质，缺失破坏两者激活互依性并调节脑血管痉挛。

3.4. CO administration restores glial activation and vascular tone in wild-type and HO-1 knockout mice following TBI

给予250 ppm CO每日1小时处理，7天后CO消除野生型与敲除小鼠间小胶质细胞与星形胶质细胞激活差异，并使血管张力正常化。转录层面CO降低Hmox1^fl/fl与GFAP-Cre-Hmox1^fl/fl皮质S100b表达，对LyzM-Cre-Hmox1^fl/fl无影响，对NF-κB表达无显著影响。表明HO-1介导的CO是神经炎症关键调节因子，外源性CO可部分补偿胶质细胞HO-1缺失并减轻神经炎症响应。

3.5. Astrocytic HO-1 deficiency induces a proinflammatory phenotype

基因型直接比较显示损伤后3天皮质星形胶质细胞密度GFAP-Cre-Hmox1^fl/fl显著高于LyzM-Cre-Hmox1^fl/fl，血管痉挛指数更高；GFAP-Cre-Hmox1^fl/fl皮质Gfap与NF-κB mRNA表达增加，Iba-1与S100b无差异。CO消除Gfap与NF-κB表达差异。表明GFAP-Cre-Hmox1^fl/fl具更显著炎症表型，支持星形胶质细胞HO-1限制神经炎症的细胞类型特异性保护作用，可能通过调节Gfap与NF-κB表达实现。

讨论部分总结与研究结论翻译

讨论部分指出研究支持微胶质细胞与星形胶质细胞HO-1表达调节TBI后神经炎症与损害的假说，在轻型单次打击TBI小鼠模型中证明HO-1缺失损害胶质激活并加剧血管痉挛，外源性CO恢复激活与血管张力，凸显HO-1/CO轴治疗潜力；星形胶质细胞敲除较微胶质细胞敲除炎症表型更显著，表明细胞类型特异性功能。结果与既往重复性TBI及出血性卒中研究一致，首次在轻型TBI探究星形胶质细胞特异性缺失，揭示两者HO-1均为胶质激活所需并强调HO-1调节的胶质串扰，疾病与细胞特异性不同。微胶质细胞与星形胶质细胞HO-1及CO对维持损伤后保护性表型至关重要，星形胶质细胞HO-1通过抑制NF-κB等发挥保护，CO具细胞保护特性并可挽救HO-1缺失表型，调节血管。研究存在小鼠模型局限、未涉及其他细胞、仅轻型TBI与早期时间点等限制。

研究结论部分翻译如下：

综上所述，研究人员证明HO-1/CO系统在TBI诱导的炎症中作为关键信号通路，通过调节胶质细胞激活与脑血管张力发挥作用。研究人员首次提供证据，除微胶质细胞HO-1外，星形胶质细胞HO-1在塑造TBI后神经炎症反应中发挥关键作用。这些见解深化了对损伤脑内HO-1/CO轴的理解，并进一步支持基于HO-1/CO干预在TBI中的治疗潜力。

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