چکیده

دلیل مطالعه:سلول‌های پوست برای حفظ تکثیر و تمایز سلولی فعالانه مواد مغذی را متابولیزه می‌کنند. پسوریازیس یک بیماری پوستی مرتبط با اختلالات ایمنی است که با افزایش تکثیر در کراتینوسیت‌های اپیدرمی همراه است و به‌طور فزاینده‌ای به اختلالات متابولیکی مرتبط شناخته می‌شود. با این حال، سازگاری‌های متابولیکی و مکانیسم‌های زیرساختی تکثیر بیش از حد اپیدرمی در پوست پسوریازیس هنوز به‌طور کامل ناشناخته است. در این مطالعه، نقش رقابت متابولیکی در تکثیر و تمایز سلول‌های اپیدرمی در پوست پسوریازیس بررسی شده است.

روش‌ها:از روش‌های توالی‌یابی RNA بر روی تک‌سلول، تجزیه و تحلیل بافتی RNA و آزمایش جذب گلوکز برای بررسی تفاوت‌های متابولیکی در سلول‌های اپیدرمی در پسوریازیس استفاده شده است. تأیید عملکرد در مدل‌های موشی و ارگانوئید التهاب‌زای پوست انجام شد.

نتایج:مشاهده کردیم که سلول‌های بازال پر تکثیر در پوست پسوریازیس به‌عنوان برندگان رقابت متابولیکی، گلوکز را از سلول‌های سوپرا بازال جذب می‌کنند. تحلیل متابولیک تک‌سلولی نشان داد که «سلول‌های برنده» موجب افزایش مسیر OXPHOS از طریق COX7B می‌شوند و با تولید ROS از متابولیسم گلوکز، به تکثیر بیش از حد سلول‌های بازال در پسوریازیس کمک می‌کنند. همچنین برای پیشگیری از آسیب‌های سمی ناشی از ROS، سلول‌های بازال مسیر متابولیسم گلوتاتیون را فعال کرده و ظرفیت آنتی‌اکسیدانی خود را برای پیشبرد پیشرفت پسوریازیس افزایش می‌دهند. COX7B همچنین با تنظیم فعالیت مسیر سیگنال‌دهی PPAR، به توسعه پسوریازیس کمک می‌کند. علاوه بر این، گرسنگی گلوکز و افزایش بیان SLC7A11 موجب ایجاد استرس دی‌سولفید در سلول‌های سوپرا بازال شده و باعث آسیب به اسکلت اکتین می‌شود که در نتیجه باعث تمایز ناقص سلول‌های سوپرا بازال در پوست پسوریاتیک می‌شود.

نتیجه‌گیری:این مطالعه نشان می‌دهد که رقابت متابولیکی سلولی نقش اساسی در حفظ تعادل تکثیر و تمایز کراتینوسیت‌ها در طول پیشرفت پسوریازیس دارد.

مقدمه:

سلول‌های پوست برای حفظ تعادل بافتی از طریق تکثیر و تمایز به‌طور مداوم تجدید می‌شوند. در بیماری‌هایی نظیر پسوریازیس، اختلال در این تعادل منجر به تکثیر بیش از حد سلول‌ها و ناتوانی در تمایز مناسب آنها می‌شود. در این مطالعه، اثر رقابت متابولیکی بین سلول‌های مختلف اپیدرمی در پوست پسوریازیس بررسی شده است.

مواد و روش‌ها:

در این مطالعه، از مدل‌های موشی و ارگانوئیدهای پوست برای بررسی مکانیزم‌های مولکولی متابولیسم سلولی استفاده شد. از آزمایش‌های مختلف مانند کشت ارگانوئیدهای التهابی، تزریق مداخلات دارویی، و اندازه‌گیری فعالیت گلوکز برای تحلیل تغییرات متابولیکی در پوست پسوریازیس استفاده شد.

این چکیده و خلاصه، به وضوح توضیح می‌دهد که رقابت متابولیکی در پوست پسوریازیس چگونه باعث اختلال در تکثیر و تمایز سلول‌ها می‌شود و نقش مولکول‌های مختلف مانند COX7B و SLC7A11 در این فرآیند چیست.

تشخیص محتوای گلوتاتیون

پوست موش‌ها پس از ۷ روز درمان با ایماکویمد (IMQ) برای ایجاد مدل پسوریازیس جمع‌آوری شد. پوست پس از هموژن‌سازی در یخچال و سانتریفیوژ در دمای ۴ درجه سانتی‌گراد با سرعت ۸۰۰۰ جی به مدت ۱۰ دقیقه، سپراتانت جمع‌آوری شد. این محلول برای اندازه‌گیری در دمای ۴ درجه سانتی‌گراد نگهداری شد. لوله‌های اندازه‌گیری، استاندارد و خالی مطابق دستورالعمل‌ها آماده شدند و مواد شیمیایی مناسب به هر لوله اضافه شد. سپس، دستگاه اسپکتروفوتومتر برای بیش از ۳۰ دقیقه گرم شد، طول‌موج آن به ۴۱۲ نانومتر تنظیم و جذب با آب مقطر صفر شد. محتوای گلوتاتیون نمونه‌ها با استفاده از فرمول مناسب محاسبه گردید.

تحلیل ترانسکریپتوم

داده‌های ترانسکریپتوم پوست انسان در حالت پسوریازیس از پایگاه داده GEO (GSE 54456) استخراج شد. از روش DESeq2 برای تحلیل خوشه‌ای داده‌های ترانسکریپتوم استفاده شد و ژن‌هایی که به‌طور معناداری بین پوست پسوریاتیک و پوست سالم انسان متفاوت بودند شناسایی شدند. آستانه‌ای با میزان نرخ کشف کاذب کمتر از ۰.۰۵ و تغییر لاگ۲ بزرگتر از ۲ برای شناسایی تفاوت‌های معنادار در بیان ژن‌ها اعمال شد. تحلیل‌های Gene Ontology (GO) و Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes (KEGG) برای ژن‌های با بیان بالاتر در پوست پسوریاتیک با استفاده از پلتفرم آنلاین تحلیل داده‌ها (https://www.bioinformatics.com.cn) انجام شد.

همچنین، داده‌های scRNA-seq برای پوست انسان در حالت پسوریازیس (GSE162183) از پایگاه داده GEO دانلود گردید. داده‌ها با استفاده از نرم‌افزار آماری R (نسخه ۴.۲.۰) تجزیه و تحلیل شدند. پس از انجام کنترل کیفیت، غربالگری سلول‌ها، نرمال‌سازی داده‌ها، شناسایی ژن‌های متغیر و کاهش ابعاد، برای تجزیه و تحلیل بیشتر مسیرهای متابولیک از بسته نرم‌افزاری scMetabolism نسخه ۰.۲.۱ و روش امتیازدهی ژن‌های تک‌سلولی استفاده شد.

افزایش بیان GLUT1 موجب جذب گلوکز در سلول‌های بازال ضایعات پسوریازیس می‌شود

برای بررسی ظرفیت جذب گلوکز در سلول‌های پوست، پروب فلوروسنت جذب گلوکز ۲-NBDG به پوست پشت موش‌ها تزریق شد. نتایج نشان داد که جذب گلوکز توسط سلول‌های بازال در گروه پسوریازیس نسبت به گروه سالم افزایش یافته است (شکل 1F). پروتئین‌های حامل گلوکز (GLUT) جذب گلوکز را در اکثر بافت‌ها تنظیم می‌کنند. برای شناسایی ژن‌های کلیدی که جذب گلوکز را در پسوریازیس مدیاته می‌کنند، تحلیل‌های qRT-PCR و ترانسکریپتوم روی ژن‌های خانواده پروتئین‌های حامل گلوکز 1 تا 14 انجام شد. نتایج نشان داد که GLUT1 در سلول‌های بازال گروه پسوریازیس به طور قابل توجهی افزایش یافته است (شکل 1G و S1F-H). این یافته‌ها همچنین با استفاده از qRT-PCR و وسترن بلات در پوست انسان تایید شد (شکل 1G-H). تحلیل ایمونوفلورسانس و ST نشان داد که بیان GLUT1 در سلول‌های بازال گروه پسوریازیس به طور قابل توجهی بیشتر از گروه سالم است (شکل 1I)، که با محل فعالیت مسیر گلوکونوژنز (شکل 1E) هم‌راستا است. بنابراین، افزایش بیان GLUT1 و جذب گلوکز در سلول‌های بازال می‌تواند باعث تشدید پیشرفت پسوریازیس شود. این سلول‌های بازال با سرعت تکثیر بالا و متابولیسم فعال ممکن است گلوکز را از سلول‌های اطراف جذب کرده و وضعیت رقابت سلولی ایجاد کنند، جایی که سلول‌ها برای مواد محدود گلوکز موجود در محیط با یکدیگر رقابت می‌کنند (شکل 1J).

برای بررسی تاثیر GLUT1 بر پیشرفت پسوریازیس، از مدل موش‌های پسوریازیس مشابه با ایماکویمود (IMQ) استفاده شد. نتایج نشان داد که موش‌های درمان‌شده با مهارکننده GLUT1 (BAY-867) نسبت به مدل موش‌های پسوریازیس مشابه که با IMQ درمان شده بودند، ویژگی‌های پوست کمتری از نظر شدت پسوریازیس نشان دادند. نمرات PASI در گروه مهار شده با GLUT1 نسبت به گروه درمان‌شده با IMQ به طور قابل توجهی کاهش یافت. نتایج H&E نشان داد که اپیدرم پوست در گروه مهارکننده GLUT1 نازک‌تر، دارای برجستگی‌های عمودی کمتری و نمرات کم‌تر در مقایسه با گروه IMQ بود. نتایج qPCR نشان داد که تولید و ترشح عوامل مرتبط با پسوریازیس در گروه درمان‌شده با IMQ افزایش یافته است، از جمله سیتوکین‌های التهابی (IL-1β و IL-6)، کمیکاین‌ها (CCL20 و CXCL10)، و پپتیدهای ضد میکروبی (S100A9). تحلیل ایمونوفلورسانس نشان داد که تعداد سلول‌های PCNA+، BrdU+، و P63+ که نشانگر سلول‌های در حال تکثیر هستند، در گروه مهارکننده GLUT1 به طور قابل توجهی کاهش یافت. همچنین، بیان ژن‌های E-cadherin و K14 که نشانگر سلول‌های اپی‌تلیالی هستند، پس از مهار GLUT1 کاهش یافت. تحلیل فلوسایتومتری نشان داد که نفوذ T-cell در گروه مهارکننده GLUT1 نسبت به گروه درمان‌شده با IMQ کاهش یافته است. این نتایج نشان می‌دهد که مهار GLUT1 منجر به کاهش تکثیر سلول‌های اپیدرمی در پسوریازیس می‌شود.

به طور کلی، این نتایج نشان می‌دهند که GLUT1 می‌تواند تکثیر بیش از حد سلول‌های اپیدرمی در پسوریازیس را کاهش دهد و پیشرفت بیماری را کاهش دهد.

افزایش بیان OXPHOS در سلول‌های بازال ضایعات پسوریاتیک

گلوکز منبع اصلی انرژی برای سلول‌های پستانداران است که از طریق گلیکولیز و چرخه اسید سیتریک (TCA) انرژی تولید می‌شود. از آنجا که IL-17 سیتوکینی مهم در توسعه پسوریازیس است، پژوهشگران تحلیل غنی‌سازی KEGG را با استفاده از ژن‌های مختلف از سلول‌های بازال IL17RA+ در شرایط سالم و پسوریاتیک انجام دادند. نتایج نشان داد که مسیر فسفوریلاسیون اکسیداتیو در سلول‌های اپیدرمی پسوریاتیک به‌طور قابل‌توجهی غنی‌شده است.

همچنین، با تجزیه‌وتحلیل داده‌های RNA-seq و qRT-PCR، مشخص شد که ژن COX7B در ضایعات پسوریاتیک به طور چشمگیری افزایش‌یافته است. این ژن به‌عنوان یک جزء اصلی در متابولیسم انرژی در سلول‌های بازال در حال تکثیر در نظر گرفته می‌شود. تحلیل‌های غربالگری پروتئینی و رنگ‌آمیزی ایمنوفلورسانس نیز نشان دادند که COX7B در سطح پروتئینی نیز در پوست انسان مبتلا به پسوریازیس افزایش‌یافته است.

برای مشخص کردن اینکه کجا در پوست پسوریاتیک مسیر فسفوریلاسیون اکسیداتیو فعال است، از روش‌های مختلف از جمله میکروسکوپ فلورسانس و تحلیل ژنتیکی برای شناسایی فعالیت این مسیر استفاده شد. نتایج نشان داد که این مسیر در لایه بازال پوست پسوریاتیک فعال‌تر است.

در نهایت، هنگامی که فعالیت فسفوریلاسیون اکسیداتیو با استفاده از مهارکننده‌های COX7B (ADT-OH و rotenone) مهار شد، نتایج نشان داد که علائم پسوریازیس در موش‌ها به طور قابل‌توجهی کاهش یافت. با کاهش تولید سیتوکین‌های التهابی و مهاجرت سلول‌های T، ضخامت اپیدرم کاهش یافت و فعالیت تکثیر سلول‌ها کمتر شد.

خلاصه:

نتایج این مطالعه نشان می‌دهند که فسفوریلاسیون اکسیداتیو (OXPHOS) و فعالیت‌های مرتبط با COX7B در سلول‌های بازال پوست پسوریاتیک افزایش یافته‌اند و این متابولیسم انرژی موجب افزایش تکثیر سلول‌ها و پیشرفت پسوریازیس می‌شود. مهار این مسیر متابولیک می‌تواند علائم پسوریازیس را کاهش دهد.

تحقیق درباره مکانیسم‌های مولکولی که COX7B باعث پیشرفت پسوریازیس می‌شود

در این مطالعه، برای بررسی مکانیسم‌های مولکولی خاص که COX7B باعث پیشرفت پسوریازیس می‌شود، تسلسل ترنسکریپتوم در نمونه‌های موش با پیشرفت پسوریازیس و مهار بیان COX7B انجام شد. نتایج نشان داد که مسیر سیگنال‌دهی PPAR به طور قابل‌توجهی با تحلیل غنی‌سازی KEGG در ژن‌های تنظیم شده پس از مهار COX7B غنی‌شده است. نتایج qRT-PCR و تحلیل RNA-seq نیز نشان داد که بیان همه ژن‌های مرتبط با مسیر سیگنال‌دهی PPAR به طور قابل‌توجهی پس از مهار COX7B افزایش یافته است. این نتایج نشان می‌دهند که COX7B با تنظیم فعالیت مسیر سیگنال‌دهی PPAR، پیشرفت پسوریازیس را تسریع می‌کند.

فعال‌سازی متابولیسم گلوتاتیون در پسوریازیس

به دلیل تکثیر بیش از حد سلول‌های پوست در پسوریازیس، مقدار زیادی ROS تولید می‌شود که به آسیب‌های سمی می‌انجامد. برای جلوگیری از این آسیب‌ها، سلول‌ها مسیر متابولیسم گلوتاتیون را فعال می‌کنند تا هموستاز ردوکس را حفظ کنند و پیشرفت پسوریازیس را تسریع نمایند. تحلیل غنی‌سازی KEGG نشان داد که ROS در سلول‌های GLUT1+ در گروه پسوریاتیک به طور قابل‌توجهی غنی‌شده است. همچنین، تحلیل‌های متابولیکی سلول‌های تک‌سویه نشان داد که مسیرهای آنابولیک مرتبط با گلوتاتیون در گروه پسوریاتیک بیشتر از گروه سالم فعال شده است.

تنظیم متابولیسم گلوتاتیون بر پیشرفت پسوریازیس

برای بررسی تأثیر متابولیسم گلوتاتیون بر تکثیر سلول‌های بازال در پسوریازیس، مهارکننده‌های سنتز گلوتاتیون (BSO) یا پپتیدهای GSH به پوست موش‌های مدل پسوریازیس تزریق شد. نتایج نشان داد که گروه درمان‌شده با BSO دارای علائم شدیدتر پسوریازیس و نمرات PASI بالاتر از گروه کنترل بود. در مقابل، گروه درمان‌شده با GSH دارای علائم ملایم‌تری بود و نمرات PASI کمتری داشت. همچنین، بررسی‌های میکروسکوپی نشان داد که ضخامت اپیدرم در گروه درمان‌شده با BSO افزایش یافت و در گروه درمان‌شده با GSH کاهش پیدا کرد.

برنامه‌ریزی متابولیکی سلول‌های اپیدرمی و تأثیر آن بر تمایز سلول‌های سوپرا بازال

در این بخش، مطالعه‌ای بر روی مکانیسم‌های مولکولی که باعث تغییرات در سلول‌های سوپرا بازال در پوست پسوریاتیک می‌شود، انجام شد. نتایج تحلیل GO نشان داد که مسیرهایی مانند پیوند کادرین و اجزای ساختاری اسکلت سلولی در این سلول‌ها غنی‌شده است. علاوه بر این، مشاهده شد که میزان گلوکز در سلول‌های سوپرا بازال در پوست پسوریاتیک کاهش یافته است و این ممکن است باعث کاهش تمایز کامل سلول‌های سوپرا بازال و فشار دی‌سولفید شود که در نهایت منجر به مرگ سلولی می‌شود.

نتایج تحلیل‌های اسکن‌رای-اسکو و تحلیل‌های تک‌سویه نشان داد که ژن‌های مرتبط با مسیر PPP در سلول‌های سوپرا بازال پوست پسوریاتیک به میزان کمی بیان می‌شوند که این باعث کاهش منابع NADPH در این سلول‌ها می‌شود. این شرایط ناکافی بودن NADPH ممکن است باعث کاهش توانایی سلول‌ها در تبدیل سیستین به سیستئین و در نهایت منجر به استرس دی‌سولفید و تغییرات ساختاری سلول‌ها شود.

خلاصه:

این مطالعه نشان می‌دهد که COX7B و مسیر سیگنال‌دهی PPAR، متابولیسم گلوتاتیون و مسیرهای مرتبط با آن نقش مهمی در پیشرفت پسوریازیس دارند. مهار مسیرهای متابولیک مانند OXPHOS و گلوتاتیون باعث کاهش علائم پسوریازیس می‌شود. همچنین، متابولیسم گلوتاتیون و ناکافی بودن NADPH در سلول‌های سوپرا بازال باعث نقص در تمایز این سلول‌ها و تشدید پیشرفت پسوریازیس می‌گردد.

ترجمه و خلاصه نتایج و بحث مطالعه:

نتایج:

برای جلوگیری از استرس دی‌سولفید، که باعث مرگ یا تمایز غیرعادی سلول‌ها می‌شود، از یک عامل کاهنده (2ME) در پوست موش‌های مدل پسوریازیس استفاده شد. نتایج نشان داد که موش‌های تیمار شده با IMQ + 2ME علائم پسوریازیس کمتری داشته و نمرات PASI آنها پایین‌تر بود. همچنین، نتایج رنگ‌آمیزی H&E نشان داد که اپیدرم این موش‌ها نازک‌تر بوده و تعداد چین‌خوردگی‌های کمتری داشت. تحلیل‌های فلوکیتومتری نشان داد که نفوذ سلول‌های T در گروه IMQ + 2ME کاهش یافته است. نتایج PCR نشان داد که تولید و ترشح فاکتورهای مرتبط با پسوریازیس در گروه IMQ + 2ME کمتر از گروه IMQ بود. تحلیل‌های ایمنوفلورسانس نشان داد که تعداد سلول‌های در حال تکثیر در گروه IMQ + 2ME کاهش یافته بود. همچنین، بیان F-actin در گروه IMQ + 2ME نسبت به گروه‌های دیگر افزایش یافته و ساختار آن سازماندهی بهتری داشت. بررسی‌های تکمیلی بیان کردند که درمان با 2ME موجب کاهش استرس دی‌سولفید و کاهش پاسخ‌های ایمنی در پسوریازیس شد.

بحث:

1. نقش رقابت سلولی در پیشرفت پسوریازیس:

پسوریازیس با تکثیر زیاد سلول‌های بازال و هایپرکراتوز یا پاراکراتوز همراه است. در این مطالعه نشان داده شد که سلول‌های بازال در پوست پسوریاتیک به دلیل نیاز بالای انرژی، گلوکز را از سلول‌های سوپرا بازال جذب می‌کنند، که این امر موجب هایپرپلازی و ضخیم‌تر شدن اپیدرم می‌شود. در عین حال، سلول‌های سوپرا بازال با بیان بالای SLC7A11، منجر به انقباض اسکلت سلولی و تمایز ناتمام می‌شوند. این مکانیسم‌های متابولیکی و رقابت سلولی موجب پیشرفت پسوریازیس می‌شوند.

2. تأثیر استرس دی‌سولفید بر تمایز سلول‌های سوپرا بازال:

سلول‌های سوپرا بازال در پوست پسوریاتیک به دلیل کمبود گلوکز و کاهش سطوح NADPH، در معرض استرس دی‌سولفید قرار می‌گیرند که باعث تغییرات غیرعادی در ساختار اسکلت سلولی و مرگ سلولی می‌شود. افزودن مهارکننده دی‌سولفید باعث پیشگیری از استرس دی‌سولفید و بهبود وضعیت سلول‌های سوپرا بازال در مدل‌های پسوریازیس شد.

3. نقش گلوکز و اکسیداسیون فسفوریلاسیون در رقابت سلولی:

سلول‌های بازال در پوست پسوریاتیک به دلیل استفاده بیشتر از گلوکز و اکسیداسیون فسفوریلاسیون، به سلول‌های “ابر رقابت‌کننده” تبدیل می‌شوند که به آنها مزیت رقابتی می‌دهد و موجب تکثیر سریع‌تر و ضخیم‌تر شدن پوست می‌شود. در واقع، این مطالعه نشان می‌دهد که رقابت سلولی در پسوریازیس به‌واسطه تغییرات متابولیکی و استفاده از گلوکز به‌طور خاص در سلول‌های بازال ایجاد می‌شود.

4. استرس اکسیداتیو و نقش گلوتاتیون:

در این مطالعه نشان داده شد که افزایش سطح ROS در پسوریازیس موجب فعال شدن مسیرهای متابولیسم گلوتاتیون برای مقابله با استرس اکسیداتیو می‌شود. افزودن گلوتاتیون به موش‌های مدل پسوریازیس باعث کاهش پیشرفت بیماری و بهبود علائم پسوریازیس شد. این امر نشان می‌دهد که حفظ تعادل ردوکس برای کنترل پیشرفت پسوریازیس مهم است.

نتیجه‌گیری:

این مطالعه نشان داد که رقابت سلولی و تغییرات متابولیکی در سلول‌های بازال و سوپرا بازال موجب پیشرفت پسوریازیس می‌شود. همچنین، مکانیزم‌های جدیدی از مرگ سلولی مانند “مرگ دی‌سولفید” در تمایز ناتمام سلول‌های سوپرا بازال شناسایی شد. این یافته‌ها می‌تواند مسیرهای جدیدی را برای درمان پسوریازیس و تحقیق بیشتر در این زمینه فراهم کند.

برای داشتن مقاله کامل به لینک زیر مراجعه کنید :

Energy competition remodels the metabolic glucose landscape of psoriatic epidermal cells