椎間盤疾病（IVDD）是一種脊柱退行性疾病。由于長時間站立和肥胖導(dǎo)致的椎間盤（IVD）機(jī)械超負(fù)荷已被廣泛認(rèn)為是 IVDD 的重要原因，而髓核（NP）承擔(dān)了 75% 的壓力。然而，機(jī)械超負(fù)荷誘導(dǎo) IVDD 的具體機(jī)制尚未闡明。

谷胱甘肽過氧化酶4（GPX4）是主要的脂質(zhì)過氧化物清除劑，在鐵死亡中起著關(guān)鍵的調(diào)節(jié)作用。據(jù)報道，由機(jī)械超負(fù)荷激活的 Piezo1 離子通道導(dǎo)致的鈣內(nèi)流增強(qiáng)誘導(dǎo) GPX4-調(diào)控的鐵死亡。已發(fā)現(xiàn)位于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜（ER）的 Piezo1 的激活通過誘導(dǎo)ER的鈣離子釋放來增加細(xì)胞內(nèi)游離鈣。然而，機(jī)械超負(fù)荷是否會同時激活位于質(zhì)膜和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上的 Piezo1 離子通道以升高 NP  細(xì)胞內(nèi)游離 Ca2+ 的水平，從而導(dǎo)致 GPX4 調(diào)控的鐵死亡仍有待確定。

硒蛋白K（SelK）是一種ER蛋白，已被證明與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激和細(xì)胞抗氧化性有關(guān)。硒（Selenium）是一種必需的微量營養(yǎng)素，參與了抗氧化應(yīng)激的保護(hù)。補(bǔ)充硒可以上調(diào)各種硒蛋白的表達(dá)，并且在濾泡輔助性T細(xì)胞中證明了 Selenium-GPX4 軸對鐵死亡的保護(hù)作用。然而，目前還沒有關(guān)于補(bǔ)硒是否可以通過上調(diào) NP 細(xì)胞中的 SelK 和 GPX4 來減輕鐵死亡的報道。

最近，在山東大學(xué)齊魯醫(yī)院骨科、病理科及美國布萊根婦女醫(yī)院骨科的一項(xiàng)聯(lián)合研究中，計(jì)劃探索機(jī)械超負(fù)荷是否通過激活位于質(zhì)膜和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上的 Piezo1 離子通道來阻礙 GPX4 的產(chǎn)生，從而導(dǎo)致 NP 細(xì)胞中的鐵死亡。在上述過程中，研究員將確定促進(jìn) ER 應(yīng)激的因素以及ER應(yīng)激在鐵死亡中的具體作用，此外，將驗(yàn)證補(bǔ)充硒是否可以通過上調(diào) GPX4 和 SelK 來減輕機(jī)械超負(fù)荷誘導(dǎo)的 NP 細(xì)胞鐵死亡。研究成果發(fā)表在 Cellular and Molecular Life Sciences 期刊題為“Selenium-SelK-GPX4 axis protects nucleus pulposus cells against mechanical overloading-induced ferroptosis and attenuates senescence of intervertebral disc"。

首先，實(shí)驗(yàn)評估了自然增齡和衰老條件下 FUNDC1 表達(dá)的變化。8周齡幼鼠冠狀動脈組織中的 FUNDC1 蛋白水平隨著年齡的增長逐漸降低。18 月齡的老年小鼠 FUNDC1 水平顯著降低（圖1 A、B），促衰老的炎癥因子 IL-6 和 TNF-α 的 mRNA 水平顯著增強(qiáng)（圖1 C）。同樣，在衰老的內(nèi)皮細(xì)胞中也觀察到 FUNDC1 的表達(dá)降低，IL-6 和 TNF-α 水平較高（圖1 F）。

進(jìn)一步構(gòu)建 FUNDC1 內(nèi)皮特異性敲除（Fundc1fl/Y/Tek-Cre）小鼠。ECs 中的 FUNDC1 缺失損害了 ACh 誘導(dǎo)的血管舒張，但不損害 SNP，表明 FUNDC1 負(fù)責(zé)維持冠狀動脈中正常的內(nèi)皮依賴性血管舒張功能（圖1 G）。MI/R 之后，FUNDC1 基因敲除小鼠中積累的 Gr-1+ 中性粒細(xì)胞明顯增加（圖1 H），表明在 MI/R 損傷后中性粒細(xì)胞遷移和內(nèi)皮通透性增加。eNOS 磷酸化和 VEGF 表達(dá)降低以及 ET-1 上調(diào)也表明 FUNDC1 敲除小鼠的內(nèi)皮功能障礙（圖1 I、J）。重要的是，EC 特異性 FUNDC1 敲除加重了 MI/R 后心臟收縮功能降低（圖1 K）。這些數(shù)據(jù)表明，低 FUNDC1 表達(dá)導(dǎo)致冠狀動脈功能障礙和 MI/R 損傷惡化。

圖1     隨著年齡的增長，FUNDC1水平降低。

接下來，為了闡明運(yùn)動對年齡相關(guān)的 FUNDC1 下調(diào)和冠狀動脈功能的影響，研究者對比了接受4 周規(guī)律運(yùn)動和久坐不運(yùn)動的老年小鼠。結(jié)果表明，FUNDC1 蛋白在運(yùn)動小鼠的冠狀動脈組織中顯著上調(diào)，且 ACh 誘導(dǎo)的冠狀動脈擴(kuò)張顯著增強(qiáng)，表明運(yùn)動誘導(dǎo)的內(nèi)皮依賴性血管舒張得到改善。在進(jìn)行 MI/R 后，運(yùn)動的老年小鼠的 Gr-1+ 中性粒細(xì)胞遷移減少，且炎癥標(biāo)志物（如IL-6、IL-8和TNF-α）和粘附分子（如VCAM-1、ICAM-1）等均顯著降低，表明運(yùn)動保護(hù) MI/R 在衰老中誘發(fā)的微血管高通透性。此外，老年運(yùn)動小鼠的 eNOS 磷酸化恢復(fù)，ET-1 水平降低，且缺血危險區(qū)的血管生成顯著增加，左室收縮功能有所增強(qiáng)，也減輕了 MI/R 后的心臟損傷。這些數(shù)據(jù)表明，運(yùn)動可防止隨著年齡增長而下調(diào)的 FUNDC1 和冠狀動脈功能障礙，并減少衰老心臟 MI/R 損傷的惡化。

為了檢查運(yùn)動對內(nèi)皮衰老和功能的作用，對運(yùn)動或久坐的老齡小鼠原代心臟微血管內(nèi)皮細(xì)胞（CMECs）進(jìn)行 SA-β-gal 染色。結(jié)果表明，老年小鼠 SA-β-gal 活性明顯上升，而運(yùn)動顯著降低了這些水平，且逆轉(zhuǎn)了衰老標(biāo)志物 p21 和 p53 在老年 CMECs 中的水平。在老年小鼠 CMECs 中觀察到相當(dāng)高的衰老程度，但運(yùn)動顯著逆轉(zhuǎn)了 CMECs 的衰老，改善了 CMECs 的血管生成能力。這表明，運(yùn)動緩解了內(nèi)皮衰老和功能障礙。

進(jìn)一步地，實(shí)驗(yàn)探討了線粒體損傷是否與衰老相關(guān)的內(nèi)皮功能障礙有關(guān)。在老齡小鼠 CMECs 中觀察到堆積的線粒體 ROS 和異常的線粒體膜電位，與久坐的小鼠相比，在運(yùn)動老齡小鼠的 CMECs 中這些效應(yīng)被減輕（圖2 A、B）。老齡小鼠的 CMECs 在用 FCCP（一種線粒體自噬誘導(dǎo)劑）處理時表現(xiàn)出線粒體自噬受損。衰老導(dǎo)致整體紅色 mt-Keima 熒光顯著降低（圖2 C、D），線粒體 LC3-II 水平降低，p62 水平升高，但這些效應(yīng)通過運(yùn)動逆轉(zhuǎn)（圖2 E、F）。重要的是，衰老 CMECs 中受損的線粒體自噬是被運(yùn)動保留（圖2 C-F）。老齡小鼠 CMECs 中線粒體自噬受體 FUNDC1 的水平也被證實(shí)較低，并且在運(yùn)動老齡小鼠中恢復(fù)其表達(dá)（圖2 G、H）。這些數(shù)據(jù)表明，運(yùn)動減少了衰老 CMECs 的線粒體損傷并恢復(fù)了線粒體自噬。

圖2    運(yùn)動可減少衰老CMECs的線粒體損傷并恢復(fù)線粒體自噬。

為了驗(yàn)證 FUNDC1 在運(yùn)動誘導(dǎo)的冠狀動脈保護(hù)中的作用，實(shí)驗(yàn)對 Fundc1fl/Y 和 Fundc1fl/Y/Tek-Cre 小鼠進(jìn)行為期4周的定期運(yùn)動訓(xùn)練。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，運(yùn)動改善 Fundc1fl/Y 小鼠 MI/R 后內(nèi)皮細(xì)胞屏障功能、增強(qiáng)血管新生，改善心臟功能。然后在內(nèi)皮細(xì)胞中過表達(dá) FUNDC1，觀察到 FUNDC1 過表達(dá)顯著降低了  CMECs 中 SA-β-gal 活性，表明過表達(dá)的線粒體自噬受體  FUNDC1 逆轉(zhuǎn)了內(nèi)皮細(xì)胞衰老。因此，FUNDC1 過表達(dá)改善了 EC 功能，如管形成、遷移和增殖能力。此外，與運(yùn)動的保護(hù)作用一致，FUNDC1 過表達(dá)增強(qiáng)了 ACh 刺激的冠狀動脈舒張、保護(hù)內(nèi)皮屏障的完整性，恢復(fù)了老齡小鼠的 eNOS 磷酸化和 VEGF 表達(dá)，并降低了 ET-1 水平。重要的是，AAV-FUNDC1 治療顯著改善了 MI/R 后的心臟收縮功能。這說明，FUNDC1 過表達(dá)逆轉(zhuǎn)了內(nèi)皮衰老和功能障礙。

層流誘導(dǎo)的層流剪切應(yīng)力（LSS）增加是運(yùn)動誘導(dǎo)的內(nèi)皮適應(yīng)的重要機(jī)制。研究者利用層流裝置來評估運(yùn)動過程中 FUNDC1 基因表達(dá)的調(diào)控機(jī)制，并潛在鑒定啟動 FUNDC1 轉(zhuǎn)錄的轉(zhuǎn)錄因子。生物信息學(xué)預(yù)測表明，FUNDC1 含有 PPARγ 反應(yīng)元件 （PPRE）（圖3 A）。先前的研究表明，層流激活了 ECs 中的 PPARγ。因此，實(shí)驗(yàn)評估了層流是否以 PPARγ 依賴性方式增強(qiáng)了 CMECs 中 FUNDC1 基因的表達(dá)。ChIP 檢測表明，PPARγ 與 CMECs 中的 FUNDC1 啟動子區(qū)域相互作用（圖3 B）。為了驗(yàn)證這一發(fā)現(xiàn)，用 PPARγ 特異性拮抗劑 GW9662 預(yù)處理 CMECs，并暴露于 20 dyne/cm2 的層流剪切力中持續(xù)6小時。在 GW9662 處理下，層流誘導(dǎo)的 LSS 增加了 CMECs PPARγ DNA-結(jié)合活性，抑制了流動誘導(dǎo)的 PPARγ 活性（圖3 C）。此外，GW9662 顯著減弱了 FUNDC1 的表達(dá)，但在靜態(tài)條件下沒有，表明 PPARγ 參與剪切力誘導(dǎo)的 FUNDC1 基因表達(dá)（圖3 D）。此外，與久坐小鼠相比，運(yùn)動的老年小鼠血管組織中的 PPARγ 表達(dá)和活性增強(qiáng)（圖3 E、F）。這些數(shù)據(jù)表明，PPARγ 在 CMECs 中負(fù)責(zé)層流調(diào)控的 FUNDC1 表達(dá)。

圖3    CMECs中PPARγ與層流增強(qiáng)的FUNDC1基因表達(dá)有關(guān)。

總之，該研究表明，上調(diào)的 FUNDC1 和恢復(fù)的線粒體自噬有助于減少衰老過程中運(yùn)動誘導(dǎo)的內(nèi)皮衰老和 MI/R 損傷，運(yùn)動過程中 PPARγ 在調(diào)節(jié) FUNDC1 表達(dá)中起重要作用。抑制 FUNDC1 本身會導(dǎo)致內(nèi)皮衰老，并消除運(yùn)動對內(nèi)皮細(xì)胞和 MI/R 損傷的保護(hù)作用。鑒于這些發(fā)現(xiàn)，FUNDC1 可能是一個有希望的靶點(diǎn)，用于維持內(nèi)皮線粒體穩(wěn)態(tài)、防止內(nèi)皮衰老，并可能通過血管內(nèi)皮與心臟組織機(jī)制的“串?dāng)_"減少 MI/R 損傷（圖3 G）。

參考文獻(xiàn)：Ma L, Li K, Wei W, Zhou J, Li Z, Zhang T, Wangsun Y, Tian F, Dong Q, Zhang H, Xing W. Exercise protects aged mice against coronary endothelial senescence via FUNDC1-dependent mitophagy. Redox Biol. 2023 Jun;62:102693. doi: 10.1016/j.redox.2023.102693. Epub 2023 Apr 1. PMID: 37030149; PMCID: PMC10113862.

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