针对α7nAChR驱动的脑内皮细胞凋亡可减轻HIV-1 gp120引起的血脑屏障破坏

本研究发现HIV-1包膜蛋白gp120通过激活α7nAChR介导的ROS/NF-κB/NLRP3炎症小体轴，引发脑微血管内皮细胞pyroptosis，破坏血脑屏障，且临床药物美金刚和二甲双胍可有效抑制该通路。

Jinhu Zou|Xuefeng Gao|Jie Chen|Bingliang Zhou|Xiangshun Meng|Jingyu Chen|Pengwei Huang|Hong Cao

中国南方医科大学公共卫生学院，广东省热带病研究重点实验室微生物学系，广州 510515

摘要

尽管接受了有效的抗逆转录病毒治疗，HIV-1相关的神经认知障碍（HAND）仍然在超过40%的HIV感染者中持续存在，这突显了缺乏针对性的干预措施。血脑屏障（BBB）的破坏是HAND的一个特征，但病毒蛋白与内皮损伤之间的机制尚未得到充分理解。本研究证明，HIV-1包膜糖蛋白gp120能够诱导脑微血管内皮细胞（BMECs）发生焦亡，从而破坏BBB的完整性。这一过程是通过α7烟碱型乙酰胆碱受体（α7nAChR）激活ROS/NF-κB/NLRP3炎症小体轴来介导的。出乎意料的是，通常被认为具有抗炎作用的α7nAChR在HIV-1 gp120的作用下表现出一种悖论性的致病作用，它促进了内皮细胞的炎症性死亡而不是保护。重要的是，两种临床批准的药物——美金刚（memantine）和二甲双胍（metformin）可以通过抑制α7nAChR有效地阻断这一有害途径。这些发现揭示了内皮细胞焦亡作为gp120诱导的BBB破坏的先前未被认识的机制，重新定义了α7nAChR在HAND发病机制中的功能作用，并提出了一种通过药物重新利用的有前景的治疗策略。通过揭示一个具有直接临床应用价值的可靶向途径，这项工作为保护HIV相关神经病理学中的BBB功能提供了机制上的见解和转化机会。

引言

HIV-1相关的神经认知障碍（HAND）是一种中枢神经系统（CNS）并发症，其特征是由于HIV-1感染引起的慢性炎症和进行性神经退化（Clifford和Ances，2013）。尽管联合抗逆转录病毒治疗（cART）取得了显著进展，但HAND仍然影响超过40%的感染者（Carter等人，2024；Wang等人，2020），这反映了缺乏有效的治疗靶点和策略。这一流行病学证据强调了迫切需要阐明HIV-1驱动神经炎症的潜在机制。

作为通往CNS的门户，血脑屏障（BBB）对于防止病原体入侵至关重要（Obermeier等人，2013）。尽管在HAND患者中已经记录到了广泛的BBB破坏，但其分子机制仍不明确（Torices等人，2023）。HIV-1包膜糖蛋白gp120是病毒进入宿主细胞的关键成分，它不仅作为HIV-1的结构组成部分，还作为一种毒力因子，通过破坏紧密连接导致BBB功能障碍（Annadurai和Kanmogne，2024；Bhalerao和Cucullo，2022）。然而，除了这些间接效应之外，它对脑微血管内皮细胞（BMECs）的直接细胞毒性作用尚未完全阐明。

焦亡是一种由gasdermin家族介导的炎症性程序性细胞死亡形式（Broz等人，2020），越来越多地被认为是外周和中枢免疫系统中HAND发病机制的关键因素（He等人，2020；Jin等人，2022）。然而，它在非免疫细胞（如BMECs）中的作用仍然很大程度上未被探索。更复杂的是，胆碱能抗炎途径（CAP）通常通过激活α7烟碱型乙酰胆碱受体（α7nAChR）来抑制炎症（Wang等人，2003）。矛盾的是，尽管在HAND患者和HIV-1感染细胞的脑组织中α7nAChR的表达上调，但CAP似乎功能失调（Capo-Velez等人，2018；Capo-Velez等人，2018；Ramos等人，2016；Delgado-Velez等人，2015），这表明需要重新评估α7nAChR在HIV-1神经病理学中的作用。

在这项研究中，我们证明了内皮细胞焦亡是gp120诱导的BBB损伤的新机制，这一机制是通过α7nAChR驱动的NLRP3炎症小体信号轴介导的。值得注意的是，这种致病途径可以通过重新利用临床批准的药物美金刚和二甲双胍来有效阻断，这两种药物可以抑制α7nAChR。这些发现为HIV相关的BBB破坏提供了机制上的见解，并提出了一种易于转化的治疗策略。

动物实验和处理

动物实验程序获得了南方医科大学医学伦理委员会的批准（伦理协议编号：2022090）。我们尽一切努力减少使用的动物数量及其痛苦。C57BL/6J野生型（WT）小鼠从南方医科大学实验动物中心获得。α7nAChR敲除（α7KO）小鼠来自Jackson实验室（B6.129S7-Chrna7^tm1Bay/J，品系编号#003232）。HIV-1 gp120转基因

BMECs的GSDMD依赖性焦亡促进了gp120引发的BBB破坏

焦亡是由gasdermin蛋白家族介导的程序性细胞死亡（Broz等人，2020）。为了研究其在HAND中的作用，我们首先分析了从GEO数据库中获得的唯一一个混合尸检脑组织的单细胞RNA测序数据集。使用ACT自动注释工具（Quan等人，2023）结合典型细胞标记基因的表达水平（图1a和图S2），我们识别出一群脑内皮细胞。

讨论

作为非免疫功能细胞类型，BMECs在HIV-1感染性炎症过程中的损伤机制仍不明确。在这项研究中，我们阐明了一种新的细胞和分子机制，即HIV-1 gp120通过诱导α7nAChR依赖的ROS/NF-κB/NLRP3炎症小体轴激活直接杀死BMECs。

α7nAChR是一种由CHRNA7编码的五聚体配体门控离子通道，在神经系统和免疫系统中广泛表达，

伦理声明

所有动物实验程序均获得了南方医科大学实验动物伦理委员会的批准（伦理项目编号：2022090）。

CRediT作者贡献声明

Jinhu Zou：撰写——原始草稿、可视化、软件使用、方法学设计、实验实施、数据分析、概念构建。Xuefeng Gao：撰写——原始草稿、验证、方法学设计、实验实施。Jie Chen：实验实施。Bingliang Zhou：实验实施、数据分析。Xiangshun Meng：可视化、实验实施。Jingyu Chen：实验实施。Pengwei Huang：实验实施。Hong Cao：撰写——审稿与编辑、监督、资源协调、项目管理、资金获取、数据整理

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报告的工作。

致谢

本项目得到了国家自然科学基金（编号：82172259，资助对象：H.C.）、广东省自然科学基金（编号：2024A1515010606，资助对象：H.C.）以及中国南方医科大学公共卫生学院的资助（编号：GW202431）的支持。