Circ Res 中国医学科学院阜外医院汪一波教授团队揭示甲状腺激素在脑血管畸形中的修复作用

血管畸形是一类并不罕见的血管疾病，往往造成出血及所在部位的功能丧失，面临着无药物治疗的临床困境。中国医学科学院阜外医院汪一波教授团队专注于心血管病遗传致病机制研究，系统的将体细胞遗传引入心血管病的机制解析。前期阐明了KRAS/BRAF和MAP3K3/PIK3CA体细胞突变分别是散发性动静脉畸形和海绵状血管畸形的核心遗传致病机制(Brain 2019¹, Brain 2021, 封面文章²)，解释了约87%和91%的散发病例，定义了亚型CCM4和CCM5 (OMIM#619538和#621032)，并首次绘制了不同突变类型的人类海绵状血管畸形单细胞图谱(Exp Mol Med, 2023)³，发展了血管畸形的胚系叠加体细胞突变的多重打击理论(Brain, 2024)⁴。

2025年3月20日，该团队在Circulation Research杂志上发表了题为“Local DIO2 Elevation Is an Adaption in Malformed Cerebrovasculature”的研究，较为全面地阐述了TH信号在脑血管畸形中的作用及分子机制。该研究基于前期³及公共数据库⁵中脑海绵状血管畸形(cerebral cavernous malformation, CCM)和脑动静脉畸形(arteriovenous malformation, AVM)的单细胞数据，分析发现畸形病变的成纤维细胞中iodothyronine deiodinase 2 (DIO2，一种将无活性的T4转化为活性T3的脱碘酶)表达水平明显增多，且TH信号显著激活。在脑血管畸形小鼠模型中，局部Dio2过表达或系统性T3给药都能有效减少脑出血、血管细胞外基质沉积和内皮渗漏。机制研究表明，T3通过激活PGC1a-Sod2/Prdx3/Gpx1信号减少活性氧ROS产生及线粒体功能障碍，进而减少炎症浸润，改善血管异常表型。这项研究提出了一种新的Dio2介导的畸形脑血管适应机制，靶向TH信号可能代表了一种潜在的脑血管疾病治疗方法。

成纤维细胞是血管损伤后修复的关键细胞类型，但脑血管畸形的成纤维细胞损伤修复分子机制尚未完全阐明。对前期CCM单细胞数据³和GEO数据库中AVM单细胞数据⁵的成纤维细胞进行差异基因表达分析及信号通路富集分析发现，细胞外基质、炎症反应和激素信号通路被显著富集。值得注意的是，在GSEA富集分析中，TH信号在病变样本中被显著激活。由于血管中有丰富的TH受体，TH浓度的微小变化即可影响血管生理。脱碘酶(DIO1、DIO2和DIO3)在组织水平上的活性允许TH稳态的局部精确调节。DIO1和DIO2负责将T4转化为活性T3，DIO3负责将T4转化为fT3和T3转化为3,3'-T2。单细胞数据分析表明，DIO2显著富集于病变样本的成纤维细胞中，而DIO1和DIO3几乎无表达。在CCM和AVM的病理切片^{1, 3}和血管畸形小鼠模型(内皮细胞特异性Pdcd10敲除小鼠, Pdcd10 KO, 一种CCM模型；内皮特异性Kras^G12D突变小鼠, Kras^G12D, 一种AVM模型)的脑血管成纤维细胞(Lum+细胞)中，免疫荧光染色和Western blot实验进一步证实了DIO2的表达显著升高(图1)。

图1. DIO2在畸形脑血管的成纤维细胞中表达上调

随后，在幼年雄性、幼年雌性、成年雄性以及成年雌性Pdcd10 KO小鼠和Kras^G12D小鼠中进行局部性成纤维细胞特异性Dio2过表达和系统性T3给药，来评价TH信号在脑血管畸形中的作用。局部Dio2过表达和系统性T3给药均有效减少了脑血管畸形小鼠的脑出血发生率、细胞外基质沉积以及血管和内皮渗漏。相反，局部Dio2敲低和系统性甲巯咪唑(一种抗TH药物)给药使模型小鼠的血管表型加重或恶化。以上结果说明，TH信号在参与脑血管畸形病理修复中发挥重要作用，而局部DIO2上调是一种机体的适应性机制(图2)。

图2. T3给药改善了脑血管畸形表型

转录因子预测分析和分子生物学实验证实了成纤维细胞中转录因子FOXK1与DIO2启动子结合，启动DIO2转录。血管畸形成纤维细胞PI3K-Akt-mTOR信号的激活是驱动Foxk1核转位的关键因素。PI3K-Akt-mTOR信号激活促进Foxk1由细胞质向细胞核转移，促进Foxk1启动下游Dio2转录事件发生(图3)。

图3. DIO2转录受成纤维细胞PI3K-Akt-mTOR-Foxk1信号通路调控

在Pdcd10 KO和Kras^G12D小鼠的脑血管中，炎症因子Il1b、Il6和Tnf的表达明显升高，并且被T3显著抑制。一系列分子实验证实了T3通过激活Pdcd10 KO和Kras^G12D小鼠脑血管中Pgc1a-Sod2/Prdx3/Gpx1信号通路来改善线粒体功能和形态，减少ROS产生和炎症浸润。通过Pgc1a阻断实验，该研究证实了T3的血管修复作用依赖于下游因子Pgc1a (图4)。

图4. T3改善了畸形脑血管的线粒体功能障碍

综上所述，该研究在脑血管畸形中发现了由Dio2-T3-Pgc1a-Sod2/Prdx3/Gpx轴介导的血管修复机制，强调了TH在脑血管疾病中的潜在治疗价值。局部DIO2升高和系统性T3给药均可有效减少脑血管畸形小鼠的出血、细胞外基质重塑和血管渗漏。该发现为出血干预提供了新的视角，并为针对TH在脑血管疾病中的临床应用奠定了基础(图5)。

图5. DIO2升高是脑血管畸形的一种适应性机制

中国医学科学院阜外医院汪一波教授为该论文通讯作者，中国医学科学院阜外医院博士生李若飞和硕士生唐宇杉为该论文共同第一作者。该研究受到中国医学科学院创新工程、国家自然科学基金、心血管疾病全国重点实验室基础研究基金等支持。

参考文献：

1. Hong T, Yan Y, Li J, Radovanovic I, Ma X, Shao YW, Yu J, Ma Y, Zhang P, Ling F, Huang S, Zhang H and Wang Y. High prevalence of KRAS/BRAF somatic mutations in brain and spinal cord arteriovenous malformations. Brain. 2019;142:23-34.

2. Hong T, Xiao X, Ren J, Cui B, Zong Y, Zou J, Kou Z, Jiang N, Meng G, Zeng G, Shan Y, Wu H, Chen Z, Liang J, Xiao X, Tang J, Wei Y, Ye M, Sun L, Li G, Hu P, Hui R, Zhang H and Wang Y. Somatic MAP3K3 and PIK3CA mutations in sporadic cerebral and spinal cord cavernous malformations. Brain. 2021;144:2648-2658.

3. Ren J, Xiao X, Li R, Lv C, Zhang Y, Wang L, Hong T, Zhang H and Wang Y. Single-cell sequencing reveals that endothelial cells, EndMT cells and mural cells contribute to the pathogenesis of cavernous malformations. Exp Mol Med. 2023;55:628-642.

4. Li R, Xiao X, Yan Y, Yu L, Lv C, Zhang Y, Hong T, Zhang H and Wang Y. GPRASP1 loss-of-function links to arteriovenous malformations by endothelial activating GPR4 signals. Brain. 2024;147:1571-1586.

5. Walchli T, Ghobrial M, Schwab M, Takada S, Zhong H, Suntharalingham S, Vetiska S, Gonzalez DR, Wu R, Rehrauer H, Dinesh A, Yu K, Chen ELY, Bisschop J, Farnhammer F, Mansur A, Kalucka J, Tirosh I, Regli L, Schaller K, Frei K, Ketela T, Bernstein M, Kongkham P, Carmeliet P, Valiante T, Dirks PB, Suva ML, Zadeh G, Tabar V, Schlapbach R, Jackson HW, De Bock K, Fish JE, Monnier PP, Bader GD and Radovanovic I. Single-cell atlas of the human brain vasculature across development, adulthood and disease. Nature. 2024;632(8025):603-613. 

原文链接：

https://www.ahajournals.org/doi/10.1161/CIRCRESAHA.124.325857