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GSDMD介导的线粒体功能障碍在边缘细胞中的作用:炎症和血管纹损伤在顺铂诱导听力损失中的潜在驱动因素

期刊:pnasDOI:10.1073/pnas.2415805122

这篇文档属于类型a,即报告了一项原创性研究。以下是针对该研究的学术报告:


PNAS 2025年研究:GSDMD介导的线粒体功能障碍在边缘细胞中的作用——炎症与血管纹损伤的潜在驱动机制

第一作者及机构
本研究由Yu Xiao(第一作者)、Xiaohan Zhang、Siwei Guo等来自山东大学生命科学学院(Shandong Provincial Key Laboratory of Animal Cells and Developmental Biology)的团队主导,联合山东第一医科大学附属省立医院耳鼻喉科(Department of Otolaryngology, Shandong Provincial Hospital)等多家机构共同完成,于2025年3月11日发表于《PNAS》(Proceedings of the National Academy of Sciences)第122卷第11期,论文标题为《GSDMD-mediated mitochondrial dysfunction in marginal cells: a potential driver of inflammation and stria vascularis damage in CIHL》。


学术背景

研究领域与动机
顺铂(cisplatin)是临床广泛使用的化疗药物,但其不可逆的耳毒性(ototoxicity)导致高达23.5%的儿童和20%的成人患者出现听力损失(cisplatin-induced hearing loss, CIHL)。既往研究多关注毛细胞(hair cells, HCs)损伤机制,而血管纹(stria vascularis, SV)的作用未被充分阐明。本研究首次提出:Gasdermin D(GSDMD)介导的细胞焦亡(pyroptosis)通过边缘细胞(marginal cells, MCs)的线粒体功能障碍驱动CIHL,为临床干预提供了新靶点。

科学问题
炎症是CIHL的核心机制,但具体路径不明。GSDMD作为焦亡执行蛋白,在肾脏毒性中已被证实与顺铂损伤相关,但其在耳蜗中的作用尚未探索。本研究旨在解决:
1. 耳蜗中GSDMD是否被顺铂激活?
2. GSDMD缺失能否抵抗CIHL?
3. 关键靶细胞(MCs或HCs)及其分子机制是什么?


研究流程与方法

1. 顺铂耳毒性模型构建与表型分析
- 对象:6-8周龄C57BL/6N小鼠,分为对照组和顺铂组(n=12,雌雄各半)。
- 方法:腹腔注射顺铂(4天给药+3天恢复,共2周期),通过听觉脑干反应(ABR)、畸变产物耳声发射(DPOAE)评估听力功能,免疫荧光(IF)和电镜观察耳蜗形态。
- 关键发现:顺铂组听力阈值升高(4-32 kHz)、SV变薄、毛细胞丢失,且转录组显示炎症通路(如NLRP3炎症小体)显著激活。

2. GSDMD介导焦亡的验证
- 药理学抑制:使用GSDMD抑制剂Necrosulfonamide(NSA)预处理小鼠,Western blot证实其抑制GSDMD切割和NLRP3表达。
- 基因敲除:构建全身性GSDMD敲除(GSDMD−/−)小鼠,发现其完全抵抗顺铂耳毒性,ABR阈值与对照组无差异,且SV血管完整性保留。

3. 靶细胞定位与机制解析
- 细胞特异性实验
- 毛细胞特异性敲除(Atoh1-GSDMD−/−):HCs中GSDMD缺失未改善听力损失,表明HCs非主要靶点。
- MCs聚焦:顺铂处理后18小时,MCs出现线粒体异常聚集(megamitochondria)和氧化应激(4-HNE标记),而GSDMD−/−小鼠中此现象消失。
- 线粒体机制:共聚焦显微镜显示,GSDMD的N端(GSDMD-N)与线粒体膜蛋白TOM20共定位,导致细胞色素c释放和线粒体膜破裂。

4. 基因治疗与药物转化
- AAV1介导的GSDMD-N递送:在GSDMD−/−小鼠SV中过表达GSDMD-N,逆转了其对CIHL的抗性,证实GSDMD-N的致病性。
- 临床药物测试:FDA批准的酒精依赖药物双硫仑(disulfiram, DSF)可抑制GSDMD,显著减轻顺铂耳毒性(ABR阈值降低50%)。


主要结果与逻辑链

  1. GSDMD激活证据:顺铂通过caspase-11切割GSDMD,释放其N端形成膜孔,触发焦亡和炎症因子(IL-1β、IL-18)释放。
  2. 靶细胞特异性:MCs(而非HCs)是GSDMD主要作用位点,其线粒体损伤早于HCs死亡(顺铂处理后18小时 vs. 48小时)。
  3. 机制级联
    • 顺铂→caspase-11激活→GSDMD切割→GSDMD-N线粒体定位→线粒体氧化应激→SV血管破裂→毛细胞继发损伤
  4. 干预效果:DSF通过阻断GSDMD孔道形成,保护SV和听力功能。

结论与价值

科学意义
- 首次揭示GSDMD介导的焦亡是CIHL的核心机制,提出MCs线粒体损伤为早期事件,挑战了传统HCs中心论。
- 阐明GSDMD-N直接靶向线粒体的分子路径,为焦亡-线粒体交互研究提供新模型。

临床应用
- DSF作为已上市药物,可快速转化为CIHL的临床防护方案,避免顺铂化疗的听力副作用。


研究亮点

  1. 创新性:发现SV中MCs的焦亡是CIHL的驱动因素,突破既往HCs-centric视角。
  2. 方法学
    • 结合AAV1-SV靶向递送和细胞特异性敲除,精准解析靶细胞。
    • 采用ICP-MS定量耳蜗铂积累,证明GSDMD缺失减少顺铂内耳渗透。
  3. 转化价值:DSF的“老药新用”策略显著缩短临床转化周期。

其他价值

  • 数据集已公开于Dryad(DOI: 10.1073/pnas.2415805122),涵盖转录组、形态学及行为学数据,可供后续研究复用。
  • 研究得到国家自然科学基金(82322019等)和科技部重点研发计划(2024YFC2511104)支持。

此研究为顺铂耳毒性的机制与治疗提供了里程碑式见解,未来可拓展至其他耳毒性药物(如氨基糖苷类)的共性通路探索。

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