Natural hydrogen gas and engineered microalgae prevent acute lung injury in sepsis

天然氣和工程微藻可預(yù)防膿毒癥中的急性肺損傷

來源：Materials Today Bio 28 (2024) 101247

 

1. 摘要核心內(nèi)容

 

本研究通過多組學(xué)分析（磷酸化蛋白質(zhì)組學(xué)、代謝組學(xué)、單細(xì)胞/空間轉(zhuǎn)錄組）發(fā)現(xiàn)氫氣治療膿毒癥肺損傷的靶點蛋白（Esam/Zo-1）和關(guān)鍵通路（鐵死亡、谷胱甘肽代謝）?；诖?，構(gòu)建了由小球藻（Chlorella vulgaris） 負(fù)載的二氫槲皮素-氨硼烷自組裝納米系統(tǒng)（DQB@C），實現(xiàn)了感染微環(huán)境響應(yīng)性氫氣釋放。體內(nèi)外實驗證實，DQB@C通過抑制炎癥因子、調(diào)節(jié)鐵死亡通路（Slc7a11↑/Cox2↓）和保護(hù)緊密連接蛋白，顯著減輕膿毒癥肺損傷及多器官功能障礙。

 

2. 研究目的

 

揭示氫氣治療機(jī)制：明確氫氣緩解膿毒癥肺損傷的分子靶點與通路。

解決氫氣臨床應(yīng)用瓶頸：克服長期吸入氫氣對呼吸道的刺激問題。

開發(fā)新型納米遞送系統(tǒng)：利用微藻載體實現(xiàn)氫氣與天然藥物的協(xié)同遞送。

 

3. 研究思路

 

采用 “機(jī)制探索→藥物篩選→納米構(gòu)建→功能驗證” 四步策略：

 

多組學(xué)分析：

磷酸化蛋白質(zhì)組學(xué)：鑒定CLP（盲腸結(jié)扎穿孔）膿毒癥小鼠模型經(jīng)氫氣干預(yù)后的差異磷酸化蛋白（圖2）。

 

代謝組學(xué)：分析肺組織代謝通路變化（圖3）。

 

單細(xì)胞/空間轉(zhuǎn)錄組：定位靶基因（Esam/Zo-1）在肺細(xì)胞中的空間分布（圖4）。

 

候選藥物篩選：基于網(wǎng)絡(luò)藥理學(xué)篩選二氫槲皮素（DQ）為Esam/Zo-1調(diào)節(jié)劑。

納米系統(tǒng)構(gòu)建：

自組裝DQB納米粒：疏水作用驅(qū)動DQ與氨硼烷（AB）組裝（粒徑168 nm）。

微藻負(fù)載：小球藻吸附DQB形成DQB@C（粒徑307.3 nm，Zeta電位-22 mV）（圖5A-B）。

 

 

功能驗證：

體外：抗炎、抗氧化、鐵死亡調(diào)控（圖6-7）。

 

 

 

體內(nèi)：生存率、器官保護(hù)、靶蛋白表達(dá)（圖8）。

 

 

4. 關(guān)鍵數(shù)據(jù)及研究意義

(1) 磷酸化蛋白質(zhì)組學(xué)（圖2）

 

數(shù)據(jù)：

鑒定20個差異磷酸化位點（如Zo-1的S1VAS1S1QPAKPTK、Esam的MGAVPVMVPAQS1QAGS1LV）。

氫氣逆轉(zhuǎn)膿毒癥導(dǎo)致的Zo-1磷酸化升高和Esam磷酸化降低。

意義：首次明確緊密連接蛋白磷酸化是氫氣治療膿毒癥肺損傷的核心機(jī)制，為靶向干預(yù)提供依據(jù)。

 

(2) 代謝組學(xué)（圖3）

 

數(shù)據(jù)：

膿毒癥組谷胱甘肽代謝紊亂，鐵死亡通路激活（p<0.05）。

氫氣干預(yù)恢復(fù)代謝穩(wěn)態(tài)。

意義：揭示氫氣通過調(diào)節(jié)氧化應(yīng)激與鐵死亡發(fā)揮保護(hù)作用。

 

(3) 單細(xì)胞/空間轉(zhuǎn)錄組（圖4）

 

數(shù)據(jù)：

Esam/Zo-1共表達(dá)于肺血管內(nèi)皮細(xì)胞（圖4E-F）。

膿毒癥中二者表達(dá)下調(diào)，與炎癥因子（Tnf/Il-6）呈負(fù)相關(guān)（圖4G-H）。

意義：從空間層面定位靶點，證實內(nèi)皮屏障破壞是肺損傷的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

 

(4) DQB@C納米系統(tǒng)表征（圖5）

 

數(shù)據(jù)：

小球藻改善DQB分散性（TEM顯示聚集減少）。

pH 6.5感染微環(huán)境下持續(xù)釋放氫氣（圖5F）。

細(xì)胞攝取效率高（12 h內(nèi)熒光標(biāo)記納米粒內(nèi)化，圖5H）。

意義：微藻載體解決自組裝納米粒穩(wěn)定性問題，實現(xiàn)微環(huán)境響應(yīng)性釋氫。

 

(5) 體內(nèi)外功能驗證

 

體外（圖6-7）：

DQB@C降低ROS、Fe2?積累（圖6A-C），保護(hù)線粒體功能（圖6D），抑制IL-6/TNF-α分泌（圖6E）。

上調(diào)Slc7a11（鐵死亡抑制蛋白）、下調(diào)Cox2（圖7A-B），增強(qiáng)Zo-1/Esam表達(dá)（圖7C）。

體內(nèi)（圖8）：

生存率：DQB@C組24 h生存率達(dá)70%（vs CLP組40%）（圖8B）。

器官保護(hù)：降低血清CRP、ALT、肌酐水平（圖8C,E），修復(fù)肺組織病理損傷（圖8F）。

靶點調(diào)控：恢復(fù)肺組織Zo-1/Esam蛋白表達(dá)（圖8G），抑制鐵死亡（GSH↑/MDA↓/Fe2?↓）（圖8H）。

 

5. 核心結(jié)論

 

機(jī)制創(chuàng)新：氫氣通過調(diào)節(jié)Esam/Zo-1磷酸化和鐵死亡通路緩解膿毒癥肺損傷。

納米系統(tǒng)優(yōu)勢：DQB@C實現(xiàn)：

精準(zhǔn)釋氫：感染微環(huán)境（pH 6.5）觸發(fā)氨硼烷水解產(chǎn)氫。

協(xié)同治療：二氫槲皮素增強(qiáng)抗氧化/抗炎，小球藻提高生物相容性。

治療效能：DQB@C療效媲美美羅培南（抗生素對照），且兼具多器官保護(hù)功能。

 

6. 丹麥Unisense電極的研究意義

(1) 技術(shù)原理

 

電極型號：REF321 Ag/AgCl微電極（尖端直徑10 μm）。

校準(zhǔn)方法：pH 4.0/7.0/9.0/11.0標(biāo)準(zhǔn)液校準(zhǔn)，精度±0.1單位。

原位測量：小鼠腸道樣本固定于瓊脂層，電極微操縱定位（方法部分）。

 

(2) 關(guān)鍵應(yīng)用

 

精準(zhǔn)量化微環(huán)境：證實膿毒癥腸道/感染灶呈酸性微環(huán)境（pH≈6.5），為氨硼烷的pH響應(yīng)性釋氫提供理論依據(jù)。

動態(tài)監(jiān)測潛力：支持活體組織實時pH追蹤（本研究未開展，但技術(shù)可行）。

 

(3) 研究價值

 

空間分辨率優(yōu)勢：

微尺度定位：避免組織勻漿導(dǎo)致的區(qū)室化pH信息丟失。

機(jī)制關(guān)聯(lián)橋梁：將“感染→微環(huán)境酸化→納米系統(tǒng)響應(yīng)釋氫”鏈條實證化，推動精準(zhǔn)給藥系統(tǒng)設(shè)計。

 

圖表索引

 

圖2：磷酸化蛋白質(zhì)組學(xué)分析（差異蛋白/通路/PPI網(wǎng)絡(luò)）

圖3：代謝組學(xué)結(jié)果（PCA/差異代謝物/通路富集）

圖4：單細(xì)胞與空間轉(zhuǎn)錄組（靶基因定位/共表達(dá)）

圖5：DQB@C納米系統(tǒng)表征（粒徑/Zeta電位/TEM/釋氫曲線）

圖6：體外抗炎/抗氧化驗證（ROS/Fe2?/線粒體/炎癥因子）

圖7：體外靶蛋白調(diào)控（Slc7a11/Cox2/Zo-1/Esam）

圖8：體內(nèi)療效（生存率/器官功能/病理/靶蛋白表達(dá)）

 

局限與展望：DQB@C抗菌能力弱于抗生素（美羅培南），未來需整合抗菌組分提升抗感染效能。