海马区的HDAC7通过NF-κB-MFN2-ACSL4铁死亡途径诱发围手术期神经认知障碍

《Cellular Signalling》：Hippocampal HDAC7 induces perioperative neurocognitive disorders via an NF-κB-MFN2-ACSL4 ferroptosis pathway

术后认知障碍的分子机制研究：HDAC7通过NF-κB-MFN2-ACSL4通路介导铁死亡和线粒体损伤

　　

郭俊佐|池文英|张凯云|黄雅茹|张博文|郭新蕾|孟凡军

山东第二医科大学麻醉学学院，中国潍坊261053

摘要

围手术期神经认知障碍（PND）是老年手术患者常见的并发症，但其背后的分子机制仍不明确。越来越多的证据表明，IIa类组蛋白去乙酰化酶（HDAC）家族成员HDAC7在脑损伤中起着关键作用，并且其去乙酰化酶活性独立地激活NF-κB通路。在本研究中，我们探讨了海马区HDAC7的上调是否通过NF-κB介导的线粒体功能障碍和铁死亡（ferroptosis）导致PND。我们在18个月大的小鼠中建立了胫骨骨折模型，在手术3天后发现海马CA3区域的HDAC7和磷酸化NF-κB（P-NF-κB）水平升高。此外，向CA3区域注射HDAC7 AAV-shRNA可以降低P-NF-κB水平并减轻线粒体损伤。HDAC7敲低后，mitofusin 2（MFN2）的表达得以恢复，酰基辅酶A合成酶长链家族成员4（ACSL4）的上调以及谷胱甘肽过氧化物酶4（GPX4）的丢失得到纠正，铁死亡相关标志物（Fe²⁺、MDA、GSH和SOD）的水平恢复正常，认知表现也得到改善。体外实验中，HT22神经元在脂多糖（LPS）激活的BV2小胶质细胞的条件培养基中发生铁死亡，而铁死亡抑制剂ferrostatin-1可以阻止这一过程，但凋亡或自噬抑制剂则无效。值得注意的是，使用TMP269抑制IIa类HDAC的酶活性未能减轻铁死亡，而HDAC7敲低则抑制了P-NF-κB的激活，恢复了MFN2的表达，纠正了ACSL4/GPX4的异常，并抑制了铁死亡，进一步支持了HDAC7的去乙酰化酶独立作用。此外，使用MFN2激活剂MASM7处理可以在不影响HDAC7表达或NF-κB磷酸化的情况下减轻体外铁死亡。体内实验中，MASM7给药也改善了认知功能并减轻了手术后的铁死亡相关变化。综上所述，这些发现表明HDAC7通过NF-κB–MFN2–ACSL4通路促进神经元铁死亡，从而促进了PND的发展。

引言

随着全球人口老龄化，越来越多的老年人接受麻醉下的外科手术。围手术期神经认知障碍（PND）已成为这一群体中最常见的并发症之一[1]。PND通常导致住院时间延长、生活质量显著下降[2]，并对全球医疗系统造成日益沉重的负担[3]。因此，了解PND的分子基础并确定潜在的治疗靶点至关重要。最近的研究发现了多种与PND发展相关的病理生理机制，包括神经炎症、氧化应激、铁死亡、神经元损伤和β-淀粉样蛋白沉积。在老年人中，这些过程常常共同作用，导致神经功能障碍并加速神经退行性变[4]。越来越多的证据表明，神经炎症在PND的发展中起着关键作用。作为中枢神经系统的常驻免疫细胞，小胶质细胞被广泛认为是神经炎症启动和进展的关键调节者[5]。手术和麻醉可以迅速激活小胶质细胞，这些激活的细胞释放大量促炎细胞因子，直接损害神经元功能并促进PND的发展[6]。因此，阐明这些病理生理过程之间的复杂相互作用对于开发有效的PND治疗策略至关重要。

2012年，铁死亡首次被确定为一种受调控的细胞死亡形式[7]。越来越多的证据表明，铁死亡通过铁依赖的脂质过氧化破坏细胞膜完整性，最终导致神经元丢失和突触功能障碍。铁死亡现在被认为是PND发病机制中的关键病理过程。先前的研究表明，神经炎症激活NF-κB信号通路，进而导致线粒体功能障碍和神经元损伤[8]。

组蛋白去乙酰化酶7（HDAC7）属于IIa类HDAC家族，长期以来被认为通过去乙酰化作用调节细胞代谢、激活和分化。最近的研究表明，HDAC7可能参与涉及非组蛋白蛋白修饰的通路，这些修饰调节炎症和凋亡。HDAC7可以通过非去乙酰化酶途径激活NF-κB信号通路，从而加剧巨噬细胞的炎症反应[9]。线粒体是具有双重膜结构的细胞器，在细胞能量代谢和神经元功能及存活中起着重要作用[10]。除了是活性氧（ROS）的主要来源外，线粒体还对维持铁稳态至关重要[11]。最近的研究表明，NF-κB激活会损害海马神经元的线粒体功能和形态[12]，在骨骼肌中，NF-κB激活会导致线粒体损伤并伴随MFN2表达下降[13]。Chen等人[14]报告称，MFN2表达下降可诱导铁死亡。然而，目前尚不清楚HDAC7是否通过在PND发展过程中诱导神经元线粒体损伤来促进铁死亡。

本研究旨在确定HDAC7是否通过激活NF-κB信号通路从而促进线粒体损伤和神经元铁死亡，以及HDAC7是否参与PND的发展。我们使用髓内钉固定建立了胫骨骨折诱导的PND动物模型。Y迷宫测试和新物体识别测试中的明显缺陷表明，手术组的小鼠表现出认知障碍。先前的研究[15]表明，海马CA3区域在学习、记忆和其他认知功能中起着关键作用。该区域的神经元损伤可能会损害记忆和其他认知能力。值得注意的是，胫骨骨折手术后海马CA3区域的HDAC7表达显著升高。这种异常的HDAC7上调激活了NF-κB信号通路，从而导致线粒体损伤和铁死亡。进一步实验表明，HDAC7敲低显著减轻了神经元铁死亡，缓解了线粒体功能障碍，并改善了术后认知障碍。HT22细胞中的类似结果进一步支持HDAC7作为PND潜在治疗靶点的可能性。

章节摘录

动物

本研究得到了山东第一医科大学附属医院动物伦理委员会的批准（批准编号：JNCHIACUC2025-22）。从Vitalriver购买了18个月大的雄性C57BL/6无特定病原体（SPF）小鼠（30–40克），并在标准实验室条件下饲养，可自由获取食物和水。饲养条件包括24–26°C的温度、50%–60%的相对湿度和12小时的光/暗周期。

胫骨骨折手术后海马区NF-κB磷酸化和HDAC7上调

基于先前的研究[16]和我们的初步数据，我们在胫骨骨折手术后第3天进行了后续分析。通过Western blotting检测了海马区HDAC7和磷酸化NF-κB（P-NF-κB）的蛋白水平。结果显示，与正常组相比，手术组的海马区P-NF-κB和HDAC7蛋白水平显著升高（图1A–C）。

讨论

全球手术量的增加使得人们对围手术期因素对脑功能障碍的影响越来越关注[27]。PND被认为是常见的术后并发症。多种临床前PND模型均表现出记忆障碍，包括麻醉下的胫骨骨折手术[28]、麻醉下的探查性剖腹手术[29]和重大器官切除[30]。所有这些模型都与显著的记忆障碍相关。

CRediT作者贡献声明

郭俊佐：撰写——初稿，数据整理，概念构思。池文英：监督，方法学，资金获取，概念构思。张凯云：数据整理。黄雅茹：验证，监督。张博文：数据整理。郭新蕾：数据整理。孟凡军：撰写——审稿与编辑，资金获取。

作者声明

我们声明本手稿是原创的，尚未在其他地方发表，也未被考虑发表。

我们确认所有署名的作者都已阅读并批准了本手稿，且没有其他符合作者资格但未列出的人。我们还确认手稿中作者的顺序已得到所有人的认可。

我们理解通讯作者是与编辑联系的唯一联系人。

资助

本项目得到了济南科技计划（后补助）（编号：202225028）；吴洁平医学基金会（编号：320.6750.2024-05-12）；科研赋能领军医生 - 临床研究公益项目（编号：ZKLGY-QYZS-006）；山东省医学会临床研究基金 - 2021年齐鲁专项项目（编号：YXH2022ZX02108）；攀登援助 - 医学科研能力提升项目的支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

图形摘要使用BioGDP.com创建。