浙大二院姚克团队发现新的NLRP3炎症小体抑制剂，有望用于治疗炎症疾病

期刊：Clinical and Translational Medicine

发表时间：2021年7月19日

影响因子：11.492

角膜炎是一种眼科常见疾病，也是我国主要致盲眼病之一，其特征是炎性细胞的浸润和角膜结构的破坏。目前，角膜炎的临床治疗多使用抗炎药物或免疫抑制剂，但这些药物的选择有限，且可能会产生白内障、青光眼和角膜愈合延迟等较严重的副作用。因此寻找有效而安全的角膜炎新型治疗手段显得尤为重要。
NLRP3炎症小体是一类监测细胞内稳态的大分子聚合物，可感知多种病原体源性、环境和内源性应激诱导因子。研究发现，异常的NLRP3炎症小体激活与多种炎症相关疾病有关，如痛风、T2D、动脉粥样硬化、角膜炎性疾病[2、3]，NLRP3炎症小体抑制剂有望成为治疗这些炎性疾病的新方法。
2021年7月19日，浙江大学医学院附属第二医院眼科中心姚克教授团队在国际权威期刊Clinical and Translational Medicine (IF: 11.492)在线发表了题为 “Screening based identification of xanthone as a novel NLRP3 inflammasome inhibitor via metabolic reprogramming” 的文章。研究筛选并发现了一种小分子天然化合物黄原酮（Xanthone），是新的NLRP3炎症小体抑制剂，能通过NLRP3-IL-1β轴在小鼠角膜炎模型中发挥抗炎作用。4D蛋白质组学技术进一步发现xanthone通过代谢重塑巨噬细胞，恢复其线粒体健康，从而抑制NLRP3炎症小体的活化。
浙江大学医学院附属第二医院眼科中心姚克教授为本文通讯作者，浙二眼科中心博士研究生崔文羽和浙二大肠外科博士研究生陈晟为论文共同第一作者，浙二眼科中心博士生导师韩海杰为本课题提供了重大帮助。该研究得到了国家自然科学基金和浙江省重点研发专项项目资助。景杰生物为该研究4D蛋白质组学分析提供技术支持。

01xanthone为新的NLRP3炎性小体抑制剂

为了发现新的NLRP3炎性小体抑制剂，研究人员在NLRP3炎性小体激活后用40余种天然产物处理原代巨噬细胞，筛选得到Xanthone为潜在的NLRP3炎性小体抑制剂。Xanthone能够剂量依赖性地抑制NLRP3炎症小体激活，或减弱刺激诱导的NLRP3炎症小体激活（图1C、D、F、F）。在人外周血中，xanthone也能显著抑制单个核细胞的IL-1β产生。进一步研究发现黄原酮可以抑制巨噬细胞中炎性小体中原位ASC斑点的形成 (图1G）。在体外，黄原酮可显著抑制交联ASC寡聚和内源性NLRP3寡聚（图1H、I），而不影响NLRP3炎性小体中蛋白质水平。说明xanthone抑制NLRP3炎症小体第二信号的激活，而不影响第一信号。

图1、xanthone抑制NLRP3炎症小体第二信号的激活，而不影响第一信号

02黄酮减轻NLRP3炎症体激活后线粒体功能障碍

线粒体功能障碍和钾离子外流是NLRP3炎症小体活化的两个主要发生机制，研究发现xanthone特异性抑制线粒体损伤，而对钾离子外流介导的NLRP3激活不起作用。Xanthone能够防止ATP（NLRP3炎症小体刺激信号）诱导的线粒体碎裂、面积减少和网络结构破坏（图2A-C），其作用在线粒体损伤的早期爆发阶段而不是后期炎症小体介导的扩增阶段（图2D-F）。通过检测ATP刺激后细胞的耗氧率（OCR），研究发现xanthone能够阻止细胞最大呼吸的下降（图2G、H）。此外，xanthone可显著挽救线粒体剩余容量的减少和质子泄漏，而对非线粒体呼吸作用影响不大（图2I、J）。这些数据表明xanthone能够恢复在NLRP3激活后巨噬细胞线粒体的损伤。

图2、xanthone特异性抑制线粒体损伤

03xanthone代谢重组巨噬细胞，恢复线粒体适应性

为了探究xanthone如何恢复线粒体适应性，作者使用4D蛋白质组学（质谱策略）和非靶向代谢组学对xanthone治疗前后巨噬细胞（样本策略）进行联合分析（图3F）。研究发现xanthone处理可重塑细胞代谢，表现为从糖酵解到柠檬酸循环的剧烈转变，酶蛋白水平的轻微变化（图3G-J）。GO富集分析显示差异主要在线粒体蛋白复合物和内膜，且Xanthone可显著上调细胞对应激的反应（图3M）。进一步将得到的数据与MitoCartaDB线粒体蛋白质数据库进行比对，结果表明xanthone上调了线粒体结构相关基因，而control组细胞则更多地富集了线粒体翻译相关基因（图3N）。总之，研究结果阐明了黄原酮代谢重组巨噬细胞，使其恢复线粒体的适应性和有限的NLRP3炎症体激活。

图3、xanthone代谢重组巨噬细胞，恢复线粒体适应性

04 xanthone通过NLRP3-IL-1β轴在小鼠角膜炎模型中发挥抗炎作用

那么，xanthone是否能在体内抑制NLRP3炎症小体？研究人员利用LPS诱导全身性脓毒症小鼠，发现腹腔注射xanthone可显著降低血清IL-1β水平，提高存活率，而TNFα水平无变化（图4A-4C）。而对于局部炎症反应，利用小鼠角膜基质内注射LPS诱导角膜炎症模型，表明xanthone滴眼能够显著降低角膜浑浊度，提高角膜临床评分（图4D、E）。组织切片显示xanthone治疗减少了角膜中炎性细胞的浸润，降低角膜厚度，且不影响角膜上皮细胞的生物活性活力（图4F、G）。xanthone可抑制角膜组织中LPS诱导的IL-1β分泌、前半胱天冬酶-1成熟以及Gsdmd裂解，并显著抑制组织浸润巨噬细胞中NLRP3炎症小体的激活（图4H-L）。

图4、xanthone治疗LPS引起的脓毒症和角膜炎

小结：本研究通过无偏筛选，新鉴定到一种天然小分子化合物xanthone作为NLRP3炎症小体抑制剂。机制研究发现xanthone通过代谢重塑巨噬细胞，在NLRP3炎症小体激活时恢复其线粒体健康。体内数据显示xanthone对脂多糖诱导的全身性炎症反应（脓毒症）和局部炎症反应（角膜炎）都有作用。总之研究提示xanthone可能作为潜在的小分子抑制剂药物，治疗角膜炎等NLRP3炎症小体过度活化的疾病。
景杰生物为该研究的4D蛋白质组学定量提供技术支持，感谢浙江大学医学院附属第二医院眼科中心姚克教授团队的信任和支持。景杰生物是国内迄今唯一帮助客户产出众多“4D蛋白质组学”高水平科研成果的公司，4D蛋白质组学平台已累计完成了近千个项目的超万例各种样本的定量分析，创造多项蛋白质组学鉴定深度记录。
【1】 2020年11月，四川大学华西医院联合华盛顿大学的研究团队在Circulation Research（IF=17.367）发表重磅研究成果，使用景杰生物的4D乙酰化修饰组学服务以及抗体产品，解析了NLRP3炎症小体和线粒体功能障碍在HFpEF发生发展的重要机制，并深入剖析β-OHB在改善HFpEF症状中的重要作用。

【2】2020年9月，华中科技大学同济医学院联合哈佛医学院研究团队在国际著名期刊PNAS上发表4D蛋白质组学研究成果，运用景杰生物4D蛋白质组学分析，针对新冠肺炎病毒患者的肺组织石蜡切片进行深度定量，揭示了新冠病毒肺炎免疫应答以及炎症反应调控机制与关键蛋白。

参考文献：

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.