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Nature子刊:有毒细胞图谱指导神经退行性变的新疗法

在包括多发性硬化症(MS)的许多炎症和神经退行性疾病中,一个共同的线索是氧化应激引起的损伤。细胞产生被称为活性氧物质的有毒物质时,氧化应激就发生了,活性氧损害神经细胞和身体其他细胞。

在进行性多发性硬化患者中,小胶质细胞被认为是氧化应激和随后对大脑造成损害的早期因素。这种氧化应激还导致许多其他疾病的神经毒性,包括阿尔茨海默病、帕金森病、肌萎缩侧索硬化症、癫痫、中风和创伤性脑损伤。此外,氧化应激也是导致自身免疫和传染病的关键因素。然而,目前扔不清楚免疫细胞如何调节和启动其活性氧的产生。

现在,Gladstone研究所的研究人员确定了一个全面的毒害大脑免疫细胞的分子图谱。据《Nature Immunology》报道,他们利用这一图谱确定了MS以及许多其他疾的潜在新药靶点,从而证明了这一图谱的价值。

领导这项研究的Gladstone 研究所高级研究员Katerina Akassoglou博士说:“我们现在有了一张大脑中有毒免疫细胞的地图,它彻底改变了我们对疾病如何发展以及如何治疗的理解。有毒免疫细胞的图谱可以用来指导新药物的发现,以保护大脑免受有害免疫反应的影响。”

为了解产生氧化应激的免疫细胞如何对中枢神经系统造成损伤,研究人员开发了一种名为Tox-seq的方法。Tox-seq将单细胞RNA测序技术与产生氧化应激的细胞选择性标记结合起来,揭示哪些基因“开”或“关”,特别是导致中枢神经系统损伤的细胞。

“单细胞基因表达分析对于识别组织中不同类型的细胞非常有用,但它不能直接告诉我们细胞在做什么,”博士后学者Andrew Mendiola博士解释说,他是这项研究的作者之一。“因此我们开发了将基因表达与单个细胞的功能联系起来的Tox-seq。”

研究小组将Tox-seq应用于MS小鼠中枢神经系统的免疫细胞,揭示了哪些亚型的细胞产生有毒活性氧,并表达与氧化应激相关的独特基因特征。

令人惊讶的是,Tox-seq显示,只有一个小胶质细胞亚群(约占细胞总数的10%)与从外周血进入大脑的免疫细胞亚群引起氧化应激,重要的是,小鼠模型中这些小胶质细胞的基因表达特征与先前怀疑对进行性多发性硬化患者造成损害的细胞中观察到的模式相符。

此外,Tox-seq显示了小鼠细胞氧化应激相关基因表达模式,包括凝血、凝血过程的相关基因。

在许多神经退行性疾病中,大脑血管变得渗漏。Akassoglou和她的研究小组先前证实,凝血因子纤维蛋白原进入大脑后,激活小胶质细胞,促进活性氧的产生。

Tox-seq数据显示,毒性小胶质细胞表达诱导凝血的基因。“这是我们一次有证据表明凝血和氧化应激在大脑的同一免疫细胞中起作用,”Akassoglou教授说。“这是一个恶性循环。”

接下来,科学家们探索了如何应用Tox-seq结果来确定对抗中枢神经系统氧化应激的策略。

首先,他们使用高通量筛选技术测试了1907种药物化学物质(或称“化合物”)抑制凝血蛋白纤维蛋白诱导的小胶质细胞的活化能力。将能抑制小胶质细胞活化的化合物的范围缩小到128种,但没有确定哪种化合物对氧化应激有特殊影响。

“在这一点上,我们的解决方案是通过计算将Tox-seq识别的氧化应激基因特征与先前发表的药物靶点途径重叠,”联合作者Jae Kyu-Ryu博士说。“这种类型的覆盖以前从未用于氧化应激途径。”

通过比较已知的靶点和Tox-seq序列数据,科学家们能够优先选择与有毒免疫途径相关的药物。他们发现其中一种叫做阿昔维辛(acivicin)的药物通过抑制一种能降解抗氧化剂谷胱甘肽的酶起作用。谷胱甘肽可以中和活性氧。因此,acivicin可能通过阻断谷胱甘肽的降解来减轻氧化应激。

acivicin还阻断了细胞培养中的小胶质细胞活化,并阻止了MS小鼠模型的症状发展。值得注意的是,acivicin治疗可以抑制已建立慢性进展性疾病的小鼠症状发展。

“这很令人兴奋,因为它告诉我们,氧化应激可能是维持MS临床严重程度的关键驱动因素,而不仅仅是初的神经损伤,”Ryu说。

初作为一种癌症药物开发,acivicin本身可能无法作为治疗多发性硬化症的药物,因为它会引起有毒的副作用。但是这一发现揭示了谷胱甘肽降解途径在调节与MS相关的免疫细胞氧化应激产生中起着关键作用。这项工作也证明了基因表达研究与药理学研究相结合具有令人兴奋的潜力,从而能加速MS药物开发。

由于氧化应激是神经、自身免疫和感染性疾病中常见的一个病理过程,Tox-seq可帮助研究人员研究许多类型的疾病的机制并找到治疗靶点。研究人员已经公开了他们的方法,并且完整的氧化应激免疫细胞图谱已经在线发布,供其他研究人员使用。

“我们希望Tox-seq将为更多与疾病相关的转录组学开辟道路。现在,在基因中捕获的信息可以更容易地与疾病过程相关,这将加速药物的发现,”Akassoglou说

 

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