醛糖还原酶通过抑制自噬过程促进脊髓损伤后巨噬/小胶质细胞向M1方向极化的机制研究

Macrophage/microglia is the main inflammatory cell population after spinal cord injury. Their M1 or M2 polarization plays a crucial role in the function recovery after spinal cord injury. Autophagy is an evolutionarily conservative lysosome-dependent intracellular degradation system for cellular homeostasis. Recent studies showed that autophagy takes part in the polarization of macrophages, the mechanism of which remains to be clarified. Alodose reductase (AR) is a critical limiting enzyme responsible for reduction of glucose to sorbitol via polyol pathway of glucose metabolism. It also has an important role in the process of oxidative stress-induced inflammation. Our preliminary data showed that after severe spinal cord crushing in AR-/- mice macrophage/microglia were polarized to M2 subsets, promoting recovery of motor function. In addition, our in vitro study demonstrated that following LPS stimulation AR-/- macrophages enhanced autophagy, but inhibited M1 polarization. Thus, the AR-/- mouse provides an excellent animal model for the study of the mechanism of regulation of macrophage/microglia polarization by autophagy. This project is designed to study the detail molecular mechanism of regulation of the polarization of macrophage/microglia by autophagy in AR-/-mouse in vivo and vitro, which is of important theoretical significance and will provide basis for further bench to bedside translation.

巨噬/小胶质细胞是脊髓损伤后的主要炎症细胞，它们向M1或M2型巨噬/小胶质细胞的不同极化方向决定了脊髓损伤的愈后。自噬是一条进化保守的溶酶体依赖的细胞内降解系统，维持细胞的稳态。最近的研究提示自噬参与巨噬细胞的极化，但机制不清。醛糖还原酶（AR）是葡萄糖多元醇代谢通路中的重要限速酶，但它在调节氧化应激诱导的炎症反应过程中也具有重要作用。我们前期的研究发现AR-/-小鼠脊髓重度夹伤后，巨噬/小胶质细胞向M2方向极化，促进运动功能恢复。体外研究显示：给与LPS刺激，AR-/-巨噬细胞促进自噬但却抑制M1基因的表达。因此，AR-/-小鼠给我们提供了很好的模型去研究在极化刺激下，AR基因是如何通过自噬调节巨噬/小胶质细胞极化的分子机制。因此本课题拟采用AR-/-小鼠，通过体内和体外实验，详细研究AR是如何通过自噬去调节巨噬/小胶质细胞的极化过程及分子机制，具有重要理论意义，是今后向临床转化的基础。

醛糖还原酶（aldose reductase，AR）是葡萄糖代谢中多元醇通路的关键限速酶，在高血糖的状态下，AR被激活，可以将葡萄糖转化为山梨醇，随后在山梨醇脱氢酶的作用下，转化为果糖，从而实现葡萄糖“分流”的作用，由于山梨醇脱氢酶的活性较弱，导致胞内山梨醇的累积，引起细胞渗透压的改变，造成细胞损伤，这是导致糖尿病型白内障的关键因素。因此，大量研究集中在将AR作为治疗靶点，应用于减轻糖尿病的并发症。近年来研究发现AR与氧化应激诱导的炎性信号通路密切相关。Ramana KV课题组研究指出AR可以催化多种不饱和脂质醛类发生还原反应，例如4-HNE，其催化效率约为葡萄糖的103到104倍。我们课题组前提研究发现在小鼠脊髓损伤后，AR对小胶质/巨噬细胞的极化方向起到“转换开关”的作用，在LPS诱导的骨髓来源巨噬细胞中，AR可以使4-HNE/GS-HNE转化为DHN/GS-DHN，从而激活氧化还原敏感性转录因子NF-κB、AP-1，促进M1型巨噬细胞相关基因的表达；而在LPS诱导的AR KO骨髓来源巨噬细胞中，由于AR功能的缺失，导致细胞内4-HNE/GS-HNE的累积，从而激活转录因子CREB，促进M2型巨噬细胞相关基因的表达。然而，AR参与到NF-κB信号通路的机制仍不清楚。研究表明，在骨髓来源巨噬细胞中，当给予LPS刺激时，早期NF-κB信号通路活化时，可以产生低剂量的4-HNE，协助炎性刺激迅速活化NF-κB信号通路，随着炎性反应强度的增加、时间的延长，细胞内产生大量ROS，在近细胞膜和线粒体膜附近发生脂质过氧化反应，生成大量脂质醛类，其中包括4-HNE，由于醛糖还原酶是4-HNE代谢的关键酶类，AR的缺陷会导致胞内4-HNE的含量逐渐累积，由于炎性信号的持续活化，导致细胞内氧化还原环境失衡，由于4-HNE分子结构的特殊性，其可以修饰IKKα，致使IKK复合体发生泛素化修饰，由p62介导进入自噬-溶酶体途径发生降解，从而抑制NF-κB信号通路的活化，减轻胞内氧化应激的程度，4-HNE也可以通过自噬途径发生降解，使细胞存活。这一问题的阐明有助于更全面的了解AR参与固有免疫系统炎性信号通路的作用，为其作为治疗炎性疾病的分子靶点，提供新的理论依据。