期刊：Clinical and Translational Medicine
發表時間：2021年7月19日
影響因子：11.492
角膜炎是一種眼科常見疾病，也是我國主要致盲眼病之一，其特征是炎性細胞的浸潤和角膜結構的破壞。目前，角膜炎的臨床治療多使用抗炎葯物或免疫抑制劑，但這些葯物的選擇有限，且可能會產生白內障、青光眼和角膜愈合延遲等較嚴重的副作用。因此尋找有效而安全的角膜炎新型治療手段顯得尤為重要。
NLRP3炎症小體是一類監測細胞內穩態的大分子聚合物，可感知多種病原體源性、環境和內源性應激誘導因子。研究發現，異常的NLRP3炎症小體激活與多種炎症相關疾病有關，如痛風、T2D、動脈粥樣硬化、角膜炎性疾病[2、3]，NLRP3炎症小體抑制劑有望成為治療這些炎性疾病的新方法。
2021年7月19日，浙江大學醫學院附屬第二醫院眼科中心姚克教授團隊在國際權威期刊Clinical and Translational Medicine (IF: 11.492)在線發表了題為 “Screening based identification of xanthone as a novel NLRP3 inflammasome inhibitor via metabolic reprogramming” 的文章。研究篩選並發現了一種小分子天然化合物黃原酮（Xanthone），是新的NLRP3炎症小體抑制劑，能通過NLRP3-IL-1β軸在小鼠角膜炎模型中發揮抗炎作用。4D蛋白質組學技術進一步發現xanthone通過代謝重塑巨噬細胞，恢復其線粒體健康，從而抑制NLRP3炎症小體的活化。
浙江大學醫學院附屬第二醫院眼科中心姚克教授為本文通訊作者，浙二眼科中心博士研究生崔文羽和浙二大腸外科博士研究生陳晟為論文共同第一作者，浙二眼科中心博士生導師韓海傑為本課題提供了重大幫助。該研究得到了國家自然科學基金和浙江省重點研發專項項目資助。景傑生物為該研究4D蛋白質組學分析提供技術支持。
01xanthone為新的NLRP3炎性小體抑制劑
為了發現新的NLRP3炎性小體抑制劑，研究人員在NLRP3炎性小體激活后用40余種天然產物處理原代巨噬細胞，篩選得到Xanthone為潛在的NLRP3炎性小體抑制劑。Xanthone能夠劑量依賴性地抑制NLRP3炎症小體激活，或減弱刺激誘導的NLRP3炎症小體激活（圖1C、D、F、F）。在人外周血中，xanthone也能顯著抑制單個核細胞的IL-1β產生。進一步研究發現黃原酮可以抑制巨噬細胞中炎性小體中原位ASC斑點的形成 (圖1G）。在體外，黃原酮可顯著抑制交聯ASC寡聚和內源性NLRP3寡聚（圖1H、I），而不影響NLRP3炎性小體中蛋白質水平。說明xanthone抑制NLRP3炎症小體第二信號的激活，而不影響第一信號。
圖1、xanthone抑制NLRP3炎症小體第二信號的激活，而不影響第一信號
02黃酮減輕NLRP3炎症體激活后線粒體功能障礙
線粒體功能障礙和鉀離子外流是NLRP3炎症小體活化的兩個主要發生機制，研究發現xanthone特異性抑制線粒體損傷，而對鉀離子外流介導的NLRP3激活不起作用。Xanthone能夠防止ATP（NLRP3炎症小體刺激信號）誘導的線粒體碎裂、面積減少和網絡結構破壞（圖2A-C），其作用在線粒體損傷的早期爆發階段而不是后期炎症小體介導的擴增階段（圖2D-F）。通過檢測ATP刺激后細胞的耗氧率（OCR），研究發現xanthone能夠阻止細胞最大呼吸的下降（圖2G、H）。此外，xanthone可顯著挽救線粒體剩余容量的減少和質子泄漏，而對非線粒體呼吸作用影響不大（圖2I、J）。這些數據表明xanthone能夠恢復在NLRP3激活后巨噬細胞線粒體的損傷。
圖2、xanthone特異性抑制線粒體損傷
03xanthone代謝重組巨噬細胞，恢復線粒體適應性
為了探究xanthone如何恢復線粒體適應性，作者使用4D蛋白質組學（質譜策略）和非靶向代謝組學對xanthone治療前后巨噬細胞（樣本策略）進行聯合分析（圖3F）。研究發現xanthone處理可重塑細胞代謝，表現為從糖酵解到檸檬酸循環的劇烈轉變，酶蛋白水平的輕微變化（圖3G-J）。GO富集分析顯示差異主要在線粒體蛋白復合物和內膜，且Xanthone可顯著上調細胞對應激的反應（圖3M）。進一步將得到的數據與MitoCartaDB線粒體蛋白質數據庫進行比對，結果表明xanthone上調了線粒體結構相關基因，而control組細胞則更多地富集了線粒體翻譯相關基因（圖3N）。總之，研究結果闡明了黃原酮代謝重組巨噬細胞，使其恢復線粒體的適應性和有限的NLRP3炎症體激活。
圖3、xanthone代謝重組巨噬細胞，恢復線粒體適應性
04 xanthone通過NLRP3-IL-1β軸在小鼠角膜炎模型中發揮抗炎作用
那么，xanthone是否能在體內抑制NLRP3炎症小體？研究人員利用LPS誘導全身性膿毒症小鼠，發現腹腔注射xanthone可顯著降低血清IL-1β水平，提高存活率，而TNFα水平無變化（圖4A-4C）。而對於局部炎症反應，利用小鼠角膜基質內注射LPS誘導角膜炎症模型，表明xanthone滴眼能夠顯著降低角膜渾濁度，提高角膜臨床評分（圖4D、E）。組織切片顯示xanthone治療減少了角膜中炎性細胞的浸潤，降低角膜厚度，且不影響角膜上皮細胞的生物活性活力（圖4F、G）。xanthone可抑制角膜組織中LPS誘導的IL-1β分泌、前半胱天冬酶-1成熟以及Gsdmd裂解，並顯著抑制組織浸潤巨噬細胞中NLRP3炎症小體的激活（圖4H-L）。
圖4、xanthone治療LPS引起的膿毒症和角膜炎
小結：本研究通過無偏篩選，新鑒定到一種天然小分子化合物xanthone作為NLRP3炎症小體抑制劑。機制研究發現xanthone通過代謝重塑巨噬細胞，在NLRP3炎症小體激活時恢復其線粒體健康。體內數據顯示xanthone對脂多糖誘導的全身性炎症反應（膿毒症）和局部炎症反應（角膜炎）都有作用。總之研究提示xanthone可能作為潛在的小分子抑制劑葯物，治療角膜炎等NLRP3炎症小體過度活化的疾病。
景傑生物為該研究的4D蛋白質組學定量提供技術支持，感謝浙江大學醫學院附屬第二醫院眼科中心姚克教授團隊的信任和支持。景傑生物是國內迄今唯一幫助客戶產出眾多“4D蛋白質組學”高水平科研成果的公司，4D蛋白質組學平台已累計完成了近千個項目的超萬例各種樣本的定量分析，創造多項蛋白質組學鑒定深度記錄。
【1】 2020年11月，四川大學華西醫院聯合華盛頓大學的研究團隊在Circulation Research（IF=17.367）發表重磅研究成果，使用景傑生物的4D乙酰化修飾組學服務以及抗體產品，解析了NLRP3炎症小體和線粒體功能障礙在HFpEF發生發展的重要機制，並深入剖析β-OHB在改善HFpEF症狀中的重要作用。
【2】2020年9月，華中科技大學同濟醫學院聯合哈佛醫學院研究團隊在國際著名期刊PNAS上發表4D蛋白質組學研究成果，運用景傑生物4D蛋白質組學分析，針對新冠肺炎病毒患者的肺組織石蠟切片進行深度定量，揭示了新冠病毒肺炎免疫應答以及炎症反應調控機制與關鍵蛋白。
參考文獻：
1，Cui W, et al., 2021, Screening based identification of xanthone as a novel NLRP3 inflammasome inhibitor via metabolic reprogramming. Clin Transl Med.
2，Jiang D, et al., 2018, The NLRP3 inflammasome: role in metabolic disorders and regulation by metabolic pathways. Cancer Lett.
3，Chi Z, et al., 2020, Histone deacetylase 3 couples mitochondria to drive IL-1β-dependent inflammation by configuring fatty acid oxidation. Mol Cell.