氧化應激與阿爾茨海默病(AD)的發病機制有關。線粒體功能障礙與AD期間神經毒性中的氧化應激和活性氧(ROS)有關。線粒體代謝受損與AD腦損傷中的線粒體功能障礙有關。雖然已確定NOX4在腦損傷中的作用，但NOX4調控AD中星形膠質細胞鐵死亡的機制尚不清楚。因此，小編給大家介紹于2021年3月發表于影響因子為9.986的“Redox Biology”上的文章“NOX4 promotes ferroptosis of astrocytes by oxidative stress-induced lipid peroxidation via the impairment of mitochondrial metabolism in Alzheimer’s diseases”。我們的結果表明，NOX4通過脂質過氧化損傷AD中線粒體代謝，促進星形膠質細胞的鐵死亡。

技術路線

結果

1）NOX4水平在阿爾茨海默病患者皮質區受損星形膠質細胞中升高

為了探討NOX4在AD患者星形膠質細胞損傷中的作用，我們分析了AD患者大腦皮質星形膠質細胞中NOX4蛋白水平是否升高。我們采用免疫熒光染色法檢測AD患者或非AD供者(正常)顳葉皮質組織GFAP陽性星形膠質細胞中的NOX4蛋白水平(圖1 A和B)。免疫熒光染色顯示AD患者皮質區分子層GFAP陽性星形膠質細胞中NOX4陽性染色強度相對于非AD供者增加(圖1A)。此外，AD患者皮質區ML中受損的GFAP陽性星形膠質細胞中的NOX4陽性染色強度高于非AD供者(圖1 A和B)。值得注意的是，AD患者中NOX4與GFAP亞細胞共定位陽性的受損星形膠質細胞數量顯著增加(圖1C)。與非AD供者相比，每一位AD患者的NOX4水平普遍較高。這些結果提示，AD患者星形膠質細胞受損時NOX4蛋白水平升高。

2）阿爾茨海默病患者皮質區受損星形膠質細胞中氧化應激誘導的脂質過氧化水平升高

由于NOX4蛋白水平在AD患者受損星形膠質細胞中升高，我們研究NOX4在AD患者受損星形膠質細胞氧化應激中的作用。我們用免疫熒光染色法檢測了AD患者或非AD供者大腦顳葉皮質組織中GFAP陽性星形膠質細胞中4-HNE的蛋白水平(圖2A)。免疫熒光染色顯示，AD患者(AD)皮質區分子層GFAP陽性星形膠質細胞中4- HNE陽性染色強度相對于非AD供者增加(圖2A、B)。此外，AD患者皮質區ML中受損的GFAP陽性星形膠質細胞4-HNE陽性染色強度高于非AD供者(圖2A和B)。AD患者中4-HNE與GFAP亞細胞共定位陽性的受損星形膠質細胞數量顯著增加(圖2C)。此外，相對于非AD供體，4-HNE在AD患者的NOX4陽性星形膠質細胞中共定位(圖2D)。AD患者的NOX4和4-HNE陽性星形膠質細胞數量相對于非AD供者顯著增加(圖2E)。這些結果提示AD患者受損星形膠質細胞中氧化應激誘導的脂質過氧化水平升高。

3）APP/PS1小鼠大腦皮質區受損星形膠質細胞中NOX4水平升高

我們研究了NOX4在APP/PS1雙轉基因AD小鼠星形膠質細胞損傷中的作用。我們使用免疫熒光染色檢測APP/PS1小鼠和野生型小鼠皮質GFAP陽性星形膠質細胞中NOX4的蛋白水平。免疫熒光染色顯示，APP/PS1小鼠皮質區GFAP陽性星形膠質細胞中NOX4陽性染色強度高于WT小鼠(圖3A和B)。與WT小鼠相比，APP/PS1小鼠中NOX4與GFAP亞細胞共定位陽性的受損星形膠質細胞數量顯著增加(圖3C)。這些結果提示APP/PS1小鼠星形膠質細胞受損時NOX4蛋白水平升高。

4）APP/PS1小鼠大腦皮質區受損星形膠質細胞中氧化應激誘導的脂質過氧化水平升高

我們研究了NOX4來源的氧化應激在APP/PS1小鼠受損星形膠質細胞中的作用。我們用免疫熒光染色法測定了APP/PS1小鼠和野生型(WT)小鼠大腦皮層GFAP陽性星形膠質細胞中4-HNE的蛋白水平(圖4A)。免疫熒光染色顯示，與WT小鼠相比，APP/PS1小鼠皮質區GFAP陽性星形膠質細胞中4- HNE陽性染色強度增加(圖4A、C)。APP/PS1小鼠皮質區受損的GFAP陽性星形膠質細胞中4- HNE陽性染色強度升高。此外，與WT小鼠相比，APP/PS1小鼠中4- HNE和GFAP亞細胞共定位呈陽性的受損星形膠質細胞數量顯著增加(圖4D)。與WT小鼠相比，APP/PS1小鼠皮質區GFAP陽性星形膠質細胞(圖4B和E)和MDA與GFAP亞細胞共定位陽性的受損星形膠質細胞(圖4F)數量增加。4-HNE在APP/PS1小鼠NOX4陽性星形膠質細胞中共定位(圖4G)。此外，APP/PS1小鼠NOX4和4-HNE陽性星形膠質細胞數量顯著增加(圖4H)。這些結果提示APP/PS1受損小鼠星形膠質細胞中氧化應激誘導的脂質過氧化水平升高。

5）NOX4的升高通過抑制人類星形膠質細胞線粒體呼吸和ATP的產生來促進線粒體代謝的損傷，從而促進氧化應激

我們研究了AD期間NOX4升高誘導受損星形膠質細胞氧化應激的潛在分子機制。與對照組相比，NOX4過表達顯著抑制了OCR的基礎水平，且顯著降低了寡霉素和FCCP作用下的OCR水平(圖5A和B)。接下來，我們研究了NOX4上調對人類星形膠質細胞線粒體呼吸途徑調控的分子靶點。我們分析了包括NADH在內的5種線粒體ETC蛋白復合物的水平(圖5C)。與OCR水平一致，與對照組相比，NOX4過表達顯著抑制了5種線粒體氧化磷酸化酶復合物的蛋白水平并顯著減少ATP的產生(圖5D)。免疫熒光染色顯示，與對照組相比，NOX4的升高導致線粒體碎裂，并顯著增加了線粒體碎裂的細胞數量(圖5G)。這些結果表明，NOX4的升高通過抑制人類星形膠質細胞線粒體呼吸和ATP的產生，從而損害線粒體代謝，從而促進氧化應激。

6）NOX4誘導的線粒體代謝損傷通過抑制人類星形膠質細胞的細胞抗氧化過程而誘導氧化應激

我們研究了NOX4誘導的線粒體代謝損傷是否可以通過抑制人體星形膠質細胞的細胞抗氧化過程來誘導氧化應激。與對照組相比，NOX4的升高顯著降低了谷胱甘肽(GSH)水平和谷胱甘肽/氧化谷胱甘肽(GSSG)的比值(圖6A和B)。NOX4的升高也增加了GSSG的水平(圖6C)。由于NOX4導致GSH減少以及GSH/ GSSG比值降低，我們接下來研究NOX4是否可以影響人類星形膠質細胞中NRF2信號通路，這是細胞抗氧化反應的關鍵調控因子。與對照組相比，NOX4的升高抑制了NRF2在細胞質中的核易位(圖6D)。此外，NRF2靶基因HO-1和GCL的水平和活性在人星形膠質細胞中被NOX4過表達顯著抑制(圖6E和F)。這些結果表明，NOX4誘導的線粒體代謝損傷通過抑制人星形膠質細胞的細胞抗氧化過程而誘導氧化應激。

7）NOX4通過氧化應激誘導的人體星形膠質細胞的脂質過氧化促進鐵死亡

為了探討NOX4調控AD星形膠質細胞氧化應激誘導的細胞死亡的分子機制，我們檢測NOX4的升高是否能通過氧化應激誘導的人星形膠質細胞脂質過氧化促進鐵死亡。我們用免疫熒光染色法測定了4- HNE在人星形膠質細胞中的蛋白水平。免疫熒光染色顯示，與對照組相比，NOX4的升高增加了4-HNE蛋白的水平，增加了質膜中脂質過氧化源性液滴的含量，細胞的形狀出現收縮(圖7A)。NOX4過表達使4- HNE陽性細胞數量顯著增加(圖7B)。NOX4過表達增加了4-HNE水平和MDA水平(圖7C)。值得注意的是，與對照組相比，NOX4的升高增加了鐵的積累，這是鐵死亡的特異性標志(圖7D)。接下來，我們使用3D分析儀分析NOX4上調后人星形膠質細胞細胞毒性的形態學變化(圖7E)。相對于對照，NOX4的升高誘導了細胞毒性的形態學特征，包括細胞質面積縮小和起泡(圖7E)。此外，與對照組相比，NOX4升高后，形態死亡細胞數量顯著增加(圖7F)。與形態學分析結果一致，相對于對照，NOX4的升高顯著增加了細胞毒性水平(圖7G)。這些結果表明，NOX4通過氧化應激誘導的人星形膠質細胞脂質過氧化促進了鐵死亡。

結論：NOX4通過線粒體代謝損傷，氧化應激誘導的脂質過氧化作用促進星形膠質細胞的鐵死亡，這是AD期間星形膠質細胞損傷的一種重要分子機制。