《Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Molecular Basis of Disease》：Microglial GLUL loss worsens TBI outcomes by amplifying the arginine-citrulline pathway
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创伤性脑损伤后微胶质过度激活与谷氨酸代谢重编程密切相关，本研究通过基因敲除和代谢通路分析发现GLUL表达下降导致谷氨酸转向促炎鸟氨酸-瓜氨酸循环，加剧神经炎症和功能障碍，抑制该循环可改善损伤。
李建伟|赵元林|杨阳|戴秋龙|田荣|王继鹏|叶静|张丽军|李丽红
中国陕西省西安市第四军医大学唐都医院急诊科，邮编710038
摘要
小胶质细胞过度激活引发的神经炎症是创伤性脑损伤（TBI）后神经功能障碍的核心驱动因素。代谢重编程对小胶质细胞的激活至关重要，但TBI后的具体代谢变化及其与激活之间的因果关系仍不明确。本研究探讨了谷氨酸-氨连接酶（GLUL）在调节TBI后小胶质细胞激活中的作用及其潜在机制。通过使用受控皮质撞击装置建立了小鼠TBI模型，并比较了野生型小鼠与小胶质细胞特异性GLUL敲除小鼠的脑损伤程度、神经炎症和行为结果。在体内和体外条件下，评估了GLUL缺陷型小胶质细胞激活过程中的炎症细胞因子表达和氨基酸代谢流。结果表明，TBI后小胶质细胞下调GLUL表达，使谷氨酸代谢转向促炎性的精氨酸-瓜氨酸循环。这种代谢转变加剧了小胶质细胞过度激活，加重了TBI后的神经功能障碍。相反，抑制精氨酸-瓜氨酸循环可以减轻小胶质细胞激活并抑制促炎性细胞因子的释放。总体而言，这些发现揭示了一种将代谢变化与TBI后小胶质细胞激活联系起来的新病理机制，并提出了一种以代谢为靶点的抗炎治疗策略。
引言
创伤性脑损伤（TBI）是指由外部机械力引起的脑组织结构和功能损伤，是最常见的神经系统疾病之一，具有较高的发病率[1]。TBI可能导致暂时性或永久性的神经功能障碍，在严重情况下甚至可能危及生命，是导致死亡和残疾的主要原因[2]。TBI的病理机制复杂，通常分为原发性和继发性损伤。原发性损伤源于创伤发生时的即时机械力，其严重程度取决于外力的位置和大小[3]。继发性损伤涉及由神经炎症、氧化应激、线粒体功能障碍等连锁反应引发的脑组织损伤和神经功能障碍[4]。越来越多的证据表明，继发性损伤在TBI后的神经恢复中起着关键作用。作为这些过程中最重要的病理事件之一，神经炎症在损伤后几分钟内开始，并持续数天、数月甚至数年，对恢复、预后和长期认知结果产生深远影响[5]。
小胶质细胞是中枢神经系统的常驻免疫细胞，对于维持脑部免疫稳态至关重要，并在TBI后作为神经炎症的主要介质[6]。TBI后，局部和适度的小胶质细胞激活通过清除凋亡细胞和促进神经修复发挥保护作用。相反，慢性且过度的小胶质细胞激活会通过释放促炎介质导致神经元死亡，从而加重继发性损伤[5]。越来越多的证据表明，代谢重编程在调节炎症中起着关键作用[7]。谷氨酰胺是人体中最丰富的氨基酸，在应激条件下是免疫细胞的重要能量来源[8][9]。GLUL是催化谷氨酸和游离氨合成谷氨酰胺的关键酶，在体外和体内研究中均被证明对巨噬细胞和中性粒细胞的活性至关重要[10]。值得注意的是，抑制巨噬细胞中的GLUL会使其向促炎性的M1表型极化[11]。然而，GLUL在TBI后小胶质细胞激活中的作用和机制仍不清楚。
在本研究中，我们发现TBI后小胶质细胞下调GLUL表达，使谷氨酸代谢转向促炎性的精氨酸-瓜氨酸循环。这种代谢转变加剧了小胶质细胞过度激活，恶化了TBI后的神经功能缺陷。相反，抑制精氨酸琥珀酸合成酶1（ASS1）——精氨酸-瓜氨酸循环中的关键酶——可以减轻小胶质细胞激活并减少促炎性细胞因子的释放。这些发现揭示了一种新的病理机制，说明代谢变化如何促进TBI后的小胶质细胞激活，并提出了一种以代谢为靶点的抗炎治疗策略。
部分摘录
TBI后激活的小胶质细胞中GLUL的表达降低
TBI后小鼠大脑的炎症反应与小胶质细胞激活密切相关。在TBI后12小时、24小时、3天、5天和7小时采集脑组织。结果显示，第3天的表面损伤最为严重，而第7天几乎完全愈合（图1A）。然后从这些时间点的病变周围皮层提取总RNA，并通过定量PCR（qPCR）检测发现两种促炎性细胞因子（白细胞介素-1）的mRNA水平
讨论
在中枢神经系统中，星形胶质细胞高度表达GLUL，驱动“谷氨酸-谷氨酰胺循环”：神经元释放的谷氨酸被星形胶质细胞摄取并通过GLUL转化为谷氨酰胺，从而消除兴奋性毒性谷氨酸并解毒氨。谷氨酰胺随后被运输回神经元，并通过GLS水解以再生用于突触再利用的谷氨酸。这种代谢耦合维持了谷氨酸的稳态，实现了神经递质的回收，并调节了氮平衡[16][17]。
动物
CX3CR1-CreERT2小鼠和GLULfIox/+小鼠由Cyagen Biosciences提供，并在实验室动物设施中繁殖。杂合后代通过回交产生了GLULfIox/fIox CX3CR1-CreERT2+小鼠。为了排除GLULfIox/fIox和Cx3cr1-CreERT2基因背景对小胶质细胞介导的炎症反应的潜在影响，在正式实验前验证了以下六种基因型：野生型（WT）、GLULfIox/fIox、Cx3cr1-CreERT2、Cx3cr1-CreERT2+Tamoxifen
CRediT作者贡献声明
李建伟：撰写初稿、监督、软件使用、资源管理、项目管理、方法学设计、实验实施、数据分析。赵元林：撰写初稿、监督、软件使用、资源管理、项目管理、方法学设计、数据分析。杨阳：撰写初稿、监督、软件使用、资源管理、项目管理、实验实施。戴秋龙：撰写初稿、结果验证、方法学设计。田荣：结果验证、监督、方法学设计。作者贡献
李丽红、张丽军和叶静设计了研究并修订了手稿。李建伟、赵元林、戴秋龙和田荣进行了实验并起草了手稿。李建伟、赵元林和戴秋龙分析了数据。李建伟、杨阳和王继鹏参与了手稿修订和技术支持。所有作者都阅读并批准了最终版本的手稿。出版同意
所有作者均已阅读手稿，并同意将论文提交给期刊。
伦理批准和参与同意
动物实验方案获得了第四军医大学动物伦理委员会和动物护理与使用委员会的批准和监督（批准编号250754）。资助
本研究得到了国家自然科学基金（编号82370581、82170589和82070289）、胃肠癌整体综合管理国家重点实验室（编号CBSKL2022ZZ11）、西京医院提升计划（编号XJZT24CY01）以及陕西省基础科学研究计划（编号2024SF-YBXM-210和2025JC-QYCX-067）的支持。致谢
我们感谢第四军医大学西京医院病理学部门的同事们提供的技术支持。
