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糖尿病性周圍神經(jīng)病變（DPN）是糖尿病中一種常見的疾病，與因免疫代謝應(yīng)激引起的嚴(yán)重微環(huán)境失衡密切相關(guān)。然而，其背后的驅(qū)動(dòng)機(jī)制尚不清楚。

基于此，2025年5月5日，上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第六人民醫(yī)院骨科錢運(yùn)研究團(tuán)隊(duì)在Nature communications雜志發(fā)表了“Dysregulated mast cell activation induced by diabetic milieu exacerbates the progression of diabetic peripheral neuropathy in mice”揭示了糖尿病微環(huán)境誘導(dǎo)的肥大細(xì)胞活化失調(diào)會(huì)加劇小鼠糖尿病性周圍神經(jīng)病變的進(jìn)展。

在本研究中，作者構(gòu)建了人類周圍神經(jīng)的單細(xì)胞圖譜鑒定了DPN中不同細(xì)胞類型的轉(zhuǎn)錄變化，并發(fā)現(xiàn)肥大細(xì)胞出現(xiàn)異常擴(kuò)增。利用鏈脲佐菌素誘導(dǎo)的小鼠糖尿病模型，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，在高糖環(huán)境下通過GLUT3介導(dǎo)的葡萄糖攝取會(huì)上調(diào)小鼠肥大細(xì)胞中ERK1/2的磷酸化水平。持續(xù)的高糖刺激還會(huì)引起mTOR通路異常激活導(dǎo)致內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激和線粒體氧化應(yīng)激，從而損害肥大細(xì)胞的線粒體功能。功能失調(diào)的肥大細(xì)胞隨后發(fā)生脫顆粒，釋放組胺、類胰蛋白酶和炎癥因子進(jìn)入神經(jīng)微環(huán)境，從而引發(fā)糖尿病小鼠的神經(jīng)病變。最后，發(fā)現(xiàn)肥大細(xì)胞缺乏的小鼠能夠抵抗神經(jīng)中的免疫失衡及神經(jīng)病變的進(jìn)展。作者的研究結(jié)果表明，肥大細(xì)胞的異常激活可能是推動(dòng)DPN進(jìn)展的一個(gè)潛在關(guān)鍵因素。

圖一 肥大細(xì)胞亞群在糖尿病性周圍神經(jīng)病變患者外周神經(jīng)組織中升高

作者假設(shè)糖尿病性周圍神經(jīng)病變患者的外周神經(jīng)組織具有獨(dú)特的分子信號通路和細(xì)胞變化特征。為了評估與DPN相關(guān)的分子和細(xì)胞特征，對來自4名DPN患者和3名TLA患者的脛神經(jīng)組織進(jìn)行了10x Genomics單細(xì)胞測序分析。從DPN神經(jīng)樣本中獲得了共計(jì)35,137個(gè)高質(zhì)量的單細(xì)胞數(shù)據(jù)，而從TLA神經(jīng)樣本中獲得了26,114個(gè)細(xì)胞數(shù)據(jù)。轉(zhuǎn)錄組分析顯示，DPN和TLA神經(jīng)樣本之間存在明顯的基因表達(dá)差異。值得注意的是，與TLA樣本相比，DPN樣本在GO分析中顯示出顯著富集于炎癥反應(yīng)、ERK1/2相關(guān)通路以及白細(xì)胞趨化等生物學(xué)過程。作者識別出多個(gè)細(xì)胞類型：表達(dá)S100B、PLP1和CDH19的雪旺細(xì)胞；表達(dá)VWF、PECAM1和JAM2的內(nèi)皮細(xì)胞；表達(dá)KIT和TPSAB1的肥大細(xì)胞；表達(dá)MS4A1和CD79A的B細(xì)胞；表達(dá)CD3D、SKAP1和THEMIS的T細(xì)胞；表達(dá)NKG7、KLRC1和KLRD1的自然殺傷細(xì)胞；表達(dá)CSF3R、CXCR1和CXCR2的中性粒細(xì)胞；表達(dá)sFRP4和COL1A1的成纖維細(xì)胞；表達(dá)TAGLN、ACTA2和MYH11的平滑肌細(xì)胞和周細(xì)胞；以及表達(dá)CD68和LYZ的巨噬細(xì)胞和單核細(xì)胞。通過對單細(xì)胞測序數(shù)據(jù)的初步分析，發(fā)現(xiàn)與TLA組相比，DPN組神經(jīng)組織中肥大細(xì)胞的比例顯著增加。而在兩組之間，內(nèi)皮細(xì)胞、成纖維細(xì)胞、平滑肌細(xì)胞、自然殺傷細(xì)胞以及巨噬細(xì)胞的比例大致相當(dāng)。隨后作者檢測了肥大細(xì)胞標(biāo)志基因的表達(dá)水平，這些標(biāo)志基因包括在肥大細(xì)胞中普遍表達(dá)的KIT、CMA、TPSAB1、MS4A2和CPA3。這些標(biāo)志基因在DPN患者神經(jīng)組織中呈現(xiàn)高表達(dá)水平。這一結(jié)果與單細(xì)胞測序分析一致，qRT-PCR數(shù)據(jù)也證實(shí)，DPN患者神經(jīng)組織中肥大細(xì)胞相關(guān)基因的表達(dá)水平明顯高于TLA對照組。

圖二 肥大細(xì)胞缺乏可阻止糖尿病性周圍神經(jīng)病變中神經(jīng)組織的髓鞘脫失和軸突變性

糖尿病性周圍神經(jīng)病變的發(fā)病機(jī)制是一個(gè)復(fù)雜的過程，最終導(dǎo)致外周神經(jīng)退化和肢體功能障礙。鑒于DPN患者的神經(jīng)組織中肥大細(xì)胞數(shù)量明顯多于TLA患者，作者推測肥大細(xì)胞可能在DPN的進(jìn)展中發(fā)揮了作用。為了深入探究不同細(xì)胞類型的特異性機(jī)制，首先評估了DPN和TLA患者脛神經(jīng)活檢樣本中的髓鞘結(jié)構(gòu)。蘇木精-伊紅染色和甲苯胺藍(lán)染色顯示，與TLA患者相比，DPN患者的軸突密度顯著降低。此外，透射電鏡分析也發(fā)現(xiàn)，在DPN患者的神經(jīng)切片中存在更多無髓鞘包裹的變性軸突。免疫組織化學(xué)染色進(jìn)一步證實(shí)，作為軸突標(biāo)志物的NF200在DPN神經(jīng)中的表達(dá)水平低于TLA神經(jīng)。有趣的是，還發(fā)現(xiàn)隨著神經(jīng)退行性改變的加重，神經(jīng)組織中髓系白細(xì)胞（CD45陽性）和肥大細(xì)胞（類胰蛋白酶陽性）的數(shù)量也顯著增加。為了研究肥大細(xì)胞的增加是否與DPN神經(jīng)的脫髓鞘和變性有關(guān)，作者使用KitW-sh/W-sh小鼠建立了DPN動(dòng)物模型。該小鼠由于c-Kit啟動(dòng)子區(qū)域發(fā)生倒位突變，無法產(chǎn)生成熟的肥大細(xì)胞。通過單次腹腔注射鏈脲佐菌素誘導(dǎo)小鼠糖尿病，在注射后1周和2周分別測量小鼠血糖水平。結(jié)果顯示，在野生型小鼠中，非空腹血糖在STZ處理后1周開始升高，到第2周平均達(dá)到31.1mmol/L。發(fā)現(xiàn)肥大細(xì)胞缺乏的小鼠比野生型小鼠具有更好的葡萄糖耐受能力。此外，在注射STZ后，肥大細(xì)胞缺乏小鼠的非空腹血糖升高趨勢與野生型小鼠相似。對于第2周時(shí)非空腹血糖超過25mmol/L的小鼠，將其納入后續(xù)實(shí)驗(yàn)，并持續(xù)監(jiān)測其血糖水平直至實(shí)驗(yàn)結(jié)束，隨后檢測了糖尿病小鼠的神經(jīng)傳導(dǎo)速度。在STZ處理的糖尿病小鼠中觀察到神經(jīng)傳導(dǎo)速度下降，而在生理鹽水處理的小鼠中未見此現(xiàn)象。值得注意的是，KitW-sh/W-sh小鼠的神經(jīng)傳導(dǎo)速度顯著快于其同窩對照小鼠，表明其神經(jīng)損傷程度較輕。作者在腹腔注射STZ24周后采集坐骨神經(jīng)進(jìn)行組織學(xué)和透射電鏡分析。與野生型DPN小鼠相比，肥大細(xì)胞缺乏的DPN小鼠中S100β和NF200的表達(dá)水平更高，表明清除肥大細(xì)胞可改善DPN神經(jīng)中的軸突密度。透射電鏡分析進(jìn)一步證實(shí)，來自糖尿病KitW-sh/W-sh小鼠的神經(jīng)組織中髓鞘化軸突的數(shù)量明顯多于糖尿病野生型小鼠。這些結(jié)果突出表明，肥大細(xì)胞在軸突變性和脫髓鞘過程中發(fā)揮了重要的病理性作用。

圖三 線粒體功能障礙及其衰退是高糖環(huán)境下肥大細(xì)胞異常激活的基礎(chǔ)

免疫細(xì)胞的激活伴隨著快速的代謝重編程，以滿足免疫反應(yīng)所需的能量增加。不同的代謝通路在調(diào)控肥大細(xì)胞功能方面具有差異化的作用。急性激活的肥大細(xì)胞主要依賴糖酵解來產(chǎn)生能量，而在長期激活過程中則需要MAPK介導(dǎo)的氧化磷酸化。鑒于高糖環(huán)境能夠誘導(dǎo)肥大細(xì)胞的激活和脫顆粒，作者進(jìn)一步探討了高糖條件對肥大細(xì)胞代謝表型的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在高糖環(huán)境中培養(yǎng)的肥大細(xì)胞中，線粒體數(shù)量顯著減少。受損的線粒體是細(xì)胞內(nèi)活性氧（ROS）異常產(chǎn)生的主要來源。因此，使用ROS敏感染料DCF-DA和MitoSOX來檢測線粒體來源的ROS，并結(jié)合線粒體特異性探針MitoTracker進(jìn)一步確認(rèn)ROS的來源。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在高糖環(huán)境中培養(yǎng)的肥大細(xì)胞內(nèi)部出現(xiàn)了強(qiáng)烈的MitoSOX紅色熒光信號。此外，DCF-DA的綠色熒光與MitoTracker的紅色熒光共定位程度也明顯增強(qiáng)，表明在高糖刺激下，線粒體來源的ROS顯著升高。為了進(jìn)一步了解高糖處理對線粒體活性和代謝狀態(tài)的影響，使用Seahorse XFe24分析儀檢測了培養(yǎng)24小時(shí)和48小時(shí)后肥大細(xì)胞的線粒體呼吸功能。結(jié)果顯示，隨著葡萄糖濃度的升高，基礎(chǔ)呼吸和最大呼吸的氧消耗率顯著下降，這表明氧化磷酸化過程受到了損傷。作者還評估了高糖處理對肥大細(xì)胞胞外酸化率的影響。在培養(yǎng)24小時(shí)和48小時(shí)后，高糖處理組的胞外酸化率顯著升高，說明糖酵解水平和糖酵解能力均增強(qiáng)。綜上所述，這些數(shù)據(jù)表明高糖刺激提高了肥大細(xì)胞的糖酵解水平，同時(shí)損害了其線粒體的氧化磷酸化功能。還觀察到，在對照組中，加入2-DG后肥大細(xì)胞的胞外酸化率讀數(shù)進(jìn)一步升高，說明除了糖酵解之外，還有其他代謝過程參與了胞外酸化的形成。這一現(xiàn)象也與之前的一項(xiàng)研究一致，即高度顆粒化的肥大細(xì)胞在注射2-DG后仍可維持一定的胞外酸化率。此外，發(fā)現(xiàn)2-DG可以誘導(dǎo)肥大細(xì)胞脫顆粒，而在注射2-DG后24小時(shí)，這些細(xì)胞又重新形成了顆粒。因此，對于高糖處理組而言，肥大細(xì)胞在進(jìn)行糖酵解壓力測試前已經(jīng)經(jīng)歷了多次脫顆粒事件，可能在給予2-DG時(shí)尚未完全恢復(fù)顆粒含量。

總結(jié)

通過研究發(fā)現(xiàn)，在糖尿病環(huán)境中，肥大細(xì)胞異常激活是促進(jìn)周圍神經(jīng)病變惡化的一個(gè)重要因素。這為理解DPN的發(fā)病機(jī)制提供了新的視角和理論依據(jù)。研究表明調(diào)節(jié)肥大細(xì)胞的活性可能成為一種新的治療策略來延緩或阻止DPN的發(fā)展。這意味著針對肥大細(xì)胞的藥物或治療方法可能會(huì)為DPN患者帶來新的希望。

文章來源

https://doi.org/10.1038/s41467-025-59562-z