巨噬细胞代谢重编程通过HIF-1α–糖酵解驱动成骨细胞铁死亡及骨丢失：基于IL-6–STAT3依赖性氧化还原轴的机制研究

《Redox Report》：Macrophage metabolic reprogramming via HIF-1α–glycolysis drives osteoblast ferroptosis and bone loss through an IL-6–STAT3–dependent redox axis

　　

背景：绝经后骨质疏松症（PMOP）以骨吸收加剧和骨形成不足为特征，巨噬细胞驱动的炎症起关键作用，但巨噬细胞免疫代谢重编程如何调控成骨细胞命运尚不清楚。方法：通过整合单细胞与批量转录组学，研究人员在PMOP骨髓中发现依赖HIF-1α–糖酵解的代谢亢进巨噬细胞亚群。采用HDAC抑制剂丙戊酸（VPA）药理学破坏该轴，并以HIF-1α稳定剂DMOG验证功能；通过条件培养基评估对成骨细胞的旁分泌效应，聚焦铁死亡与分化；在去卵巢大鼠中检验治疗效果。结果：VPA上调HIF1AN，增强其与HIF-1α结合并促进其降解，抑制糖酵解通量与M1极化，减少IL-6分泌；改变的分泌组通过抑制IL-6/p-STAT3/HIF-1α/TFRC轴并重建GPX4/ACSL4平衡，保护成骨细胞免于铁死亡，恢复成骨分化；在OVX大鼠中，VPA改善骨量与微结构，该效应被DMOG消除。结论：研究揭示了通过IL-6/STAT3信号连接巨噬细胞免疫代谢检查点与成骨细胞铁死亡的机制，靶向HIF-1α–糖酵解轴（如VPA）为PMOP提供了新型治疗策略。

该研究针对绝经后骨质疏松症（PMOP）中骨形成不足与慢性炎症交互机制不清的关键科学问题展开。PMOP以雌激素缺乏引发的骨吸收-形成耦联失衡为核心特征，骨髓巨噬细胞作为骨骼微环境中重要的免疫细胞，其代谢状态与功能表型直接影响骨重塑进程。既往研究多聚焦于破骨细胞过度活化，而对巨噬细胞代谢重编程如何通过旁分泌信号调控成骨细胞命运的机制仍存空白。此外，成骨细胞铁死亡作为近年发现的细胞死亡方式，其与骨髓免疫微环境的关联尚未阐明。为此，研究人员通过多学科交叉手段，系统解析巨噬细胞HIF-1α–糖酵解轴在PMOP中的作用，为开发靶向免疫代谢的骨保护策略提供理论依据。

研究采用的关键技术方法包括：单细胞RNA测序（scRNA-seq）与批量转录组学整合分析人PMOP骨髓样本；小鼠单核巨噬细胞系RAW264.7与原代成骨前体细胞MC3T3-E1的条件培养基共培养体系；Seahorse XFe96分析仪检测细胞外酸化率（ECAR）评估糖酵解通量；流式细胞术与荧光探针检测脂质过氧化（BODIPY 581/591 C11）、活性氧（ROS）及线粒体膜电位（JC-1）；蛋白质印迹与免疫共沉淀（Co-IP）验证蛋白互作；去卵巢（OVX）大鼠模型结合Micro-CT、组织学与血清生化分析评估体内疗效。

研究结果如下：

1. 1.
   单细胞转录组揭示PMOP骨髓中存在代谢亢进巨噬细胞亚群：通过对公共数据库人PMOP骨髓scRNA-seq数据分析，研究人员发现巨噬细胞可分为4个亚群，其中C0亚群高表达线粒体组织与氧化磷酸化相关基因，且糖酵解模块评分与HIF1A表达显著高于其他亚群，证实PMOP微环境中存在依赖HIF-1α的糖酵解活跃巨噬细胞群体。
2. 2.
   批量转录组证实VPA靶向HIF-1α–糖酵解轴：对LPS诱导的RAW264.7巨噬细胞进行RNA测序，结果显示VPA预处理可逆转LPS诱导的促炎基因表达谱，显著抑制“糖酵解/糖异生”与“HIF-1信号通路”；进一步发现VPA通过上调HIF1AN（编码FIH-1）促进HIF-1α蛋白降解，而非影响其mRNA水平。
3. 3.
   VPA通过HIF1AN介导的HIF-1α降解抑制巨噬细胞糖酵解与M1极化：功能实验表明，VPA可降低巨噬细胞ECAR、乳酸生成及葡萄糖摄取，下调Glut1、Hk2、Ldha等糖酵解关键基因；Co-IP证实VPA增强HIF1AN与HIF-1α的物理结合，促进后者泛素化降解。siRNA沉默HIF1AN后，VPA对糖酵解与IL-6分泌的抑制作用完全消失，且DMOG可阻断VPA的抗炎效应，确立HIF-1α为该过程的必需分子。
4. 4.
   巨噬细胞分泌组通过IL-6/STAT3轴保护成骨细胞免于铁死亡：条件培养基实验显示，VPA处理的巨噬细胞上清（VPA-CM）可恢复MC3T3-E1细胞活力，效果与铁死亡抑制剂Fer-1相当；直接LPS刺激不引发成骨细胞毒性，排除内毒素直接作用。机制上，VPA-CM抑制脂质过氧化（BODIPY C11氧化）、细胞内不稳定铁池积累（Phen Green SK荧光淬灭）及线粒体膜电位下降（JC-1红/绿比值降低），恢复GSH/GSSG平衡。Western blot与抑制剂实验证实，LPS-CM通过IL-6激活STAT3磷酸化，上调HIF-1α与转铁蛋白受体（TFRC），破坏GPX4/ACSL4平衡；中和IL-6或抑制STAT3（Stattic）可模拟VPA-CM的保护作用，恢复成骨分化能力（ALP活性与矿化结节形成）。
5. 5.
   体内靶向巨噬细胞HIF-1α checkpoint缓解PMOP并抑制成骨细胞铁死亡：OVX大鼠模型中，VPA干预显著增加股骨远端骨密度（BMD）、骨体积分数（BV/TV）与骨小梁数量（Tb.N），降低骨小梁分离度（Tb.Sp），减少TRAP阳性破骨细胞；DMOG共处理可完全抵消上述骨保护作用。组织学分析显示，VPA降低骨髓巨噬细胞CD86表达，同时逆转成骨细胞HIF-1α、TFRC与4-HNE（脂质过氧化标志物）的异常升高及GPX4的耗竭；血清学检测证实VPA降低MDA、TNF-α、IL-6等氧化应激与炎症指标，提升SOD与GSH水平。

讨论部分指出，该研究首次将巨噬细胞免疫代谢重编程与成骨细胞铁死亡通过IL-6/STAT3轴联系起来，阐明VPA通过上调HIF1AN促进HIF-1α降解，进而抑制糖酵解驱动的M1极化与IL-6分泌，最终阻断成骨细胞铁死亡的分子机制。尽管VPA的HDAC抑制活性可能参与骨保护作用，但本研究明确了HIF-1α–糖酵解轴作为巨噬细胞功能调控的关键节点。研究局限性在于未采用髓系特异性基因敲除模型验证细胞自主性机制，且未探讨VPA对M2极化的潜在影响。结论强调，靶向巨噬细胞HIF-1α–糖酵解轴的免疫代谢干预策略，为PMOP治疗提供了新的靶点。该研究发表于《Redox Report》，为骨质疏松的免疫代谢调控机制研究提供了重要实验依据。