《Journal of Hazardous Materials》：PM2.5 impairs gliovascular coupling via endothelial AHR–mitochondrial signaling in mice
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PM2.5通过激活内皮AHR受体引发线粒体应激和Parkin依赖性mitophagy，导致脑血管收缩、氧化应激和血脑屏障功能受损，并通过钙信号异常影响星形胶质细胞AQP4极化，进而破坏脑脊液循环和神经元功能，揭示环境污染物通过神经血管单元代谢轴引发脑损伤的机制。
金圭成（Kyu-Sung Kim）| 金东仁（Dong Im Kim）| 黄成洙（Sungsu Hwang）| 朴仁英（Inyeong Park）| 郑民泰（Min-Tae Jeon）| 金裕贞（Yujung Kim）| 孙秀贤（Suhyeon Son）| 李在赫（Jaehyeok Lee）| 朴圭明（Kyemyung Park）| 李圭宏（Kyuhong Lee）| 金道根（Do-Geun Kim）
韩国脑研究所（Korea Brain Research Institute）痴呆症研究小组，大邱 41062，大韩民国
摘要
颗粒物（PM2.5）是一种普遍存在的空气污染物，越来越多地与神经血管功能障碍相关联，但其细胞机制仍不清楚。我们发现芳烃受体（AHR）是PM2.5的关键内皮传感器，它能引发线粒体应激和依赖Parkin的线粒体自噬。通过吸入和气管内滴注模型，并结合空间转录组学、高分辨率成像和体外实验，我们发现内皮细胞线粒体损伤和氧化应激会导致脑血管收缩和灌注减少。这些血管损伤会波及星形胶质细胞，导致水通道蛋白-4（AQP4）的钙调蛋白依赖性错位，从而破坏血管周围的水分平衡和淋巴液交换。系统层面的后果包括树突退化、小胶质细胞激活和缺氧应激，海马区尤为脆弱。空间转录组学能够检测到区域和细胞类型特异性的损伤及突触重塑，而批量RNA测序无法发现这些变化；内皮细胞检测结果证实了AHR的参与。总体而言，这些数据表明内皮细胞线粒体自噬是将环境颗粒物暴露与胶质血管功能障碍及大脑清除能力下降联系起来的代谢检查点，并指出AHR信号传导可能是保护大脑在慢性空气污染下的稳态的潜在治疗靶点。
引言
工业化显著增加了有害空气污染物的排放，尤其是直径≤2.5微米的颗粒物（PM2.5）[17]。这些主要由生物质燃烧和化石燃料使用产生的颗粒物会在空气中悬浮很长时间[41]，并深入呼吸道。流行病学和毒理学数据表明PM2.5暴露与全身性效应有关[42]。值得注意的是，与PM2.5暴露相关的超细颗粒物可以穿透肺泡-毛细血管屏障[34] [41]。虽然PM2.5暴露对肺部和心血管系统的后果已有充分记录[23]，但越来越多的流行病学证据表明长期暴露会增加中风和神经退行性疾病的风险[27] [43] [46]。然而，将环境PM2.5暴露与大脑功能障碍联系起来的分子途径仍不明确，特别是涉及内皮细胞和星形胶质细胞在神经血管单元中的代谢应激的途径。
大脑依赖紧密的血管-胶质细胞耦合和代谢支持来维持神经元活动[1] [44] [59]。环境压力源（如PM2.5）会干扰内皮细胞和胶质细胞的代谢，即使在没有明显的血脑屏障（BBB）泄漏的情况下也会影响这种耦合[1] [20] [26] [31]。体外人类脑模型和体内研究均显示PM2.5会引发内皮细胞和神经细胞的病理变化[14] [20] [29]。这些改变可能通过影响血管功能而非直接破坏血脑屏障来破坏大脑稳态，从而导致非细胞自主性的神经元损伤[1] [25] [31]。
在PM2.5的分子成分中，表面结合的多环芳烃（PAHs）被认为是有毒物质[56] [60]。PAHs激活芳烃受体（AHR），这是一种配体激活的转录因子，与ARNT形成异二聚体，并通过与HIF-1共享ARNT与缺氧信号通路相互作用[16] [58]。尽管PAH-AHR轴在致癌作用中的机制已被充分研究[40] [50]，但它对大脑功能障碍的贡献仍需进一步探索。AHR表达于脑血管/脑内皮细胞中，调节外源物质和炎症反应[12] [40]，但其对大脑血管内线粒体动态和质量控制的作用尚不明确[18] [21]。
线粒体是内皮细胞中能量产生、活性氧生成和脂质信号传导的中心枢纽[18]。线粒体功能失调会改变血管张力和屏障稳定性，并可能触发依赖Parkin的线粒体自噬，这是一种维持细胞器完整性的质量控制过程[18] [24]。我们假设PM2.5激活内皮细胞中的AHR信号传导，引发线粒体应激和线粒体自噬，进而将代谢功能障碍传播到周围的星形胶质细胞。通过改变钙-钙调蛋白信号传导，这些内皮细胞的变化可能破坏星形胶质细胞足部水通道蛋白-4（AQP4）的极化定位，影响血管周围的水分交换和淋巴液交换[1] [26] [31]。这种胶质血管功能障碍可能会损害神经元稳态，并导致特定区域的脆弱性[1] [31]。
为了验证这一假设，我们结合了环境相关的吸入暴露、气管内滴注、高分辨率空间转录组学、先进成像和体外共培养实验。这种综合方法揭示了AHR驱动的线粒体应激和依赖Parkin的线粒体自噬如何导致脑血管收缩、氧化应激和血管-胶质细胞耦合受损。我们进一步阐明了这些血管变化如何改变星形胶质细胞的钙信号传导并破坏AQP4的极化定位，从而影响淋巴液交换。在系统层面，我们绘制了全脑和区域特异性的易感性图谱，发现海马区尤为脆弱。这些发现表明内皮细胞线粒体自噬是将空气污染与胶质血管和淋巴系统功能障碍联系起来的代谢检查点，并指出AHR信号传导可能是保护大脑在慢性颗粒物暴露下的稳态的潜在治疗靶点。
部分内容摘要
动物
7周大的雄性C57BL/6小鼠（约21.25 ± 0.66克；Orient Bio，韩国）被饲养在22°C ± 3°C的环境中，光照/黑暗周期为12:12，可自由摄取食物和水。使用Pristima软件（v7.3）将小鼠随机分配到不同的处理组。结果评估（成像量化、组织学评分和分子检测）由不了解分组情况的研究人员完成。
PM2.5暴露会导致大脑中细胞类型特异性的变化
大脑由具有不同功能的多种细胞类型组成[57]。尽管许多研究已将PM2.5暴露与神经学变化联系起来，但在体内研究中，细胞类型和区域特异性的病理变化仍不够明确[11] [14] [15] [55]。为了以细胞和解剖学分辨率分析基因表达变化，我们采用了空间转录组学方法，该方法可以在保持组织结构的同时分析mRNA[30] [6]。
研究结果总结
空气污染是全球主要的健康负担，细颗粒物（PM2.5）与呼吸系统、心血管系统和神经系统疾病有关[13] [19]。尽管PM2.5的全身性后果已有充分记录[39] [41] [51] [53]，但将其暴露转化为神经损伤的具体大脑途径仍不明确。流行病学和实验数据表明，吸入的颗粒物可能通过全身循环影响大脑
结论
我们的多模式分析确定了内皮细胞中的AHR-线粒体轴是连接PM2.5暴露与神经血管功能障碍、灌注缺陷以及星形胶质细胞AQP4极化丧失和早期淋巴系统损伤的关键途径。空间转录组学结合体内成像技术，揭示了批量分析未能发现的区域和细胞类型特异性的损伤过程，支持了神经元损伤主要是非细胞自主性的观点。通过吸入和气管内滴注实验
环境影响
燃烧产生的PM2.5在城市空气中普遍存在，但将其暴露与大脑损伤联系起来的细胞途径仍不明确。我们的研究确定了内皮细胞中的芳烃受体（AHR）-线粒体轴是检测富含多环芳烃颗粒物的关键传感器，它会导致血管收缩、灌注缺陷以及星形胶质细胞AQP4极性和淋巴液交换的早期紊乱。这些发现表明，减少富含PAH的PM2.5排放并针对这些途径可能有助于改善大脑健康
资助
本研究得到了韩国国家研究基金会（NRF）的支持，资金由科学技术信息通信部（MSIT）提供（项目编号2018R1C1B6001055、2021R1C1C1011427和RS-2024-00508681，资助对象为D.-G.K.）；韩国毒理学研究所（KK-2508、2710086925号项目）；以及韩国脑研究所（KBRI）的基础研究计划（项目编号25-BR-02-03和25-BR-08-01，资助对象为M.C.和D.-G.K.）。资助方未参与研究设计、数据收集与分析或决策过程。
作者贡献声明
李圭宏（Kyuhong Lee）：撰写、审稿与编辑、资源提供、方法论设计、概念构思。金道根（Do-Geun Kim）：撰写、审稿与编辑、项目监督、资金争取、概念构思。朴圭明（Kyemyung Park）：撰写、审稿与编辑、资源提供、方法论设计、概念构思。黄成洙（Sungsu Hwang）：撰写、审稿与编辑、数据可视化、数据分析、概念构思。朴仁英（Inyeong Park）：数据可视化、数据分析、数据管理。金圭成（Kim Kyu-sung）：撰写、审稿与编辑
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所述的研究。
致谢
我们感谢韩国毒理学研究所（KIT）的吸入毒理学中心团队在PM2.5生成和暴露模型方面的支持，以及蔚山国立科学技术院（UNIST）实验室在空间转录组学方面的合作。感谢所有实验室成员提供的技术帮助和有益的讨论。图形摘要和机制示意图的部分内容是用BioRender.com制作的。
术语表
- AHR（芳烃受体）
- 一种配体激活的转录因子（例如PAHs），与ARNT二聚化以调节解毒、代谢和炎症相关基因。
Allen Brain Atlas
一个提供小鼠/人脑转录组和解剖学参考图的公共资源。AQP4（水通道蛋白-4）
一种主要存在于星形胶质细胞足部的水通道蛋白，负责维持血管周围的水分流动和淋巴液交换。AQP4极性
AQP4在星形胶质细胞足部的优先定位；其定位的丧失
