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项目文章 | 单细胞测序剖析热射病诱导肝损伤的复杂分子机制

发布时间：2024-07-30 17:18:20

2024年5月，南方医科大学马强教授团队在Acta Pharmaceutica Sinica B杂志上在线发表题为“Heme oxygenase 1-mediated ferroptosis in Kupffer cells initiates liver injury during heat stroke”的研究论文。该研究阐明了热射病诱导肝损伤的复杂分子机制。靶向特定的KCs亚群并调节HMOX-1和PI4Kβ等关键分子可能是未来解决HS病症的有效策略。

新格元在该研究中提供了GEXSCOPE^®单细胞转录组测序实验及数据分析服务。

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研究背景

随着全球热浪的不断升级，热射病(HS)已成为一个突出的健康问题，其会导致严重的肝损伤。与其他形式的肝损伤不同，热射病引起的损伤以热细胞毒性和炎症加剧为特征，直接导致死亡率升高。虽然临床评估已确定胆红素水平升高是Kupffer细胞(KCs)功能障碍的指标，但它们与热射病性肝损伤的具体相关性仍不清楚。本研究旨在阐明KCs的铁死亡机制及其对HS小鼠肝损伤的炎症反应的贡献。

思维导图

研究结果

1. KCs铁死亡导致HS小鼠肝损伤

HS患者肝损伤评估显示血清丙氨酸转氨酶(ALT)、天冬氨酸转氨酶(AST)和总胆红素(TBIL)水平显著升高，且胆红素高者存活率低。而KCs参与胆红素产生和运输，进一步检测发现HS小鼠的KCs数量显著降低。炎症因子IL-1β在HS组中升高，与KCs共定位。氯膦酸盐脂质体(CLP)消耗肝巨噬细胞可减轻HS小鼠肝损伤，提高存活率。HS小鼠KCs铁死亡增强，而铁抑素-1(Fer-1)处理可减少肝细胞死亡，因此铁死亡被确定为肝损伤的关键因素。

图1. KC铁死亡导致HS小鼠肝损伤

2.单细胞转录组测序揭示了具有可变铁死亡敏感性的不同KCs亚群

为了揭示对铁死亡具有不同敏感性的KCs亚群，作者对来自不同组的肝巨噬细胞和单核细胞进行了单细胞转录组测序：包括正常对照(NC)和HS后0h、6h及24h的样本。进一步的分析确定了10个巨噬细胞簇，并根据差异表达基因(DEGs)定义了六种不同的细胞亚群。包括脂质相关巨噬细胞(LAM)、肝囊巨噬细胞(LCM)、单核细胞来源的巨噬细胞(MoMF)，增殖性巨噬细胞簇(Proli-Macs)以及两种Kupffer 细胞(KC1与KC2)(图2A-C)。KEGG通路分析显示，KC2与铁死亡通路显著相关(图2F)。

值得注意的是，KC2在热射病6h后显著减少，表明KC2大量死亡(图2D-H)。流式细胞术证实了这一结果(图2J,K)。

图2. 单细胞测序揭示了具有可变铁死亡敏感性的不同KCs亚群

3.KC2对铁死亡具有明显的易感性

对与铁和脂质代谢以及氧化过程相关的铁死亡相关基因的分析显示了KC1和KC2的不同功能(图3A)。基因集富集分析(GSEA)强调了KC2在与炎症反应、氧化应激和脂质代谢相关的基因中的显著富集(图3B)。基因本体(GO)分析强调KC2中的氧化应激、脂质代谢和IL-1β调控，而KC1富集了与补体和凝血级联、细胞粘附、白细胞分化和白细胞迁移相关的信号通路(图3C)。作者观察到在HS组中改变最显著的基因Hmox1在KC2中高表达，进一步支持KC2在铁死亡中的关键作用(图3D-H)。这些发现强调了KC2对铁死亡诱导的敏感性，强调了其在HS诱导的肝损伤中的重要作用。

图3. KC2对铁死亡具有明显的易感性

4. HMOX-1介导的铁死亡促进HS小鼠肝损伤

在热射病条件下，HMOX-1介导的KCs(尤其是KC2)中的铁死亡诱导肝损伤。HMOX-1的调节成为HS相关肝损伤的潜在治疗策略。

图4. HMOX-1介导的铁死亡促进HS小鼠肝损伤

5. EGR1协调Hmox1转录

为了破译HMOX-1的转录调控，作者利用PROMO和GeneCards数据库来预测潜在的转录因子，将EGR1确定为候选因子。在单细胞转录组测序中，Egr1在HS后的KC2中上调，免疫荧光染色证实EGR1表达增加及其热处理后的核易位(图5A)。

EGR1在KC2中作为HMOX-1表达的关键调节因子，协调铁死亡和NLRP3炎症小体激活，从而在热射病条件下促进肝损伤(图5L)。

图5. EGR1协调Hmox1转录

结论

这项综合研究阐明了热射病诱导肝损伤的复杂分子机制，强调了KCs亚群的不同反应，以及HMOX-1在协调KCs铁死亡，尤其是KC2和NLRP3炎症小体激活中的关键作用。靶向特定的KCs亚群并调节HMOX-1和PI4Kβ等关键分子可能是未来解决HS病症的有效策略。

作者团队介绍

通讯作者马强教授，课题组侧重于热射病发生时各组织损伤进展中的机制研究。课题组发现经典型热射病肝损伤中HMGB1促进NLRP3炎性小体促进肝细胞焦亡从而加重肝损伤^[1]，而枯否细胞中HMOX1诱导铁死亡并通过PI4KB激活NLRP3炎性小体促进肝脏炎症加重肝损伤^[2]。另外，课题组探究了劳力型热射病小鼠ACSL4诱导骨骼肌细胞铁死亡促进横纹肌溶解的机制^[3]。课题组致力于从实质细胞和免疫系统多个角度探究热射病各组织损伤的机制，为未来解决热射病病证提供坚实的实验基础。

参考文献

[1]Geng Y, Ma Q, Liu YN, et al. Heatstroke induces liver injury via IL-1β and HMGB1-induced pyroptosis. J Hepatol. 2015 Sep;63(3):622-33. doi: 10.1016/j.jhep.2015.04.010. Epub 2015 Apr 27. PMID: 25931416.

[2]Li R, Wei R, Liu C, et al. Heme oxygenase 1-mediated ferroptosis in Kupffer cells initiates liver injury during heat stroke, Acta Pharmaceutica Sinica B, https://doi.org/10.1016/ j.apsb.2024.05.007.

[3] He S, Li R, Peng Y, et al. ACSL4 contributes to ferroptosis-mediated rhabdomyolysis in exertional heat stroke. J Cachexia Sarcopenia Muscle. 2022 Jun;13(3):1717-1730. doi: 10.1002/jcsm.12953. Epub 2022 Mar 3. PMID: 35243801; PMCID: PMC9178366.

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