原創(chuàng) Cell Press CellPress細胞科學(xué) 

生命科學(xué)Life science

膿毒癥是感染誘發(fā)的重癥，死亡人數(shù)高于前列腺癌、乳腺癌及艾滋病三種疾病的總和。既往學(xué)術(shù)界的主流觀點認為“炎癥因子風(fēng)暴是造成膿毒癥死亡的關(guān)鍵因素”。然而，近期國際系列臨床研究表明：拮抗炎癥因子的治療措施不能有效降低膿毒癥的死亡率和改善患者預(yù)后。國際學(xué)術(shù)界呼吁重新探索膿毒癥的致死機理。因此，探索膿毒癥致死的關(guān)鍵機制是當前國際重癥醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的前沿?zé)狳c，并具有重大的臨床價值。中南大學(xué)湘雅三醫(yī)院呂奔教授團隊圍繞膿毒癥的發(fā)病機理及靶向干預(yù)開展了系列原創(chuàng)性研究，發(fā)現(xiàn)了HMGB1-caspase-11途徑介導(dǎo)的免疫反應(yīng)是膿毒癥導(dǎo)致彌散性血管內(nèi)凝血（DIC）、臟器功能衰竭和死亡的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，為膿毒癥的診治提供了潛在的生物標志物和藥物干預(yù)靶點，發(fā)表相關(guān)論文于Immunity、Nature Communications、Blood等國際知名學(xué)術(shù)期刊。

為了初步探討HMGB1-caspase-11途徑是否為膿毒癥潛在的藥物作用靶標，呂奔教授團隊基于前期發(fā)現(xiàn)，建立了特色的HMGB1-caspase-11途徑抑制劑的篩選平臺，尋找選擇性抑制caspase-11途徑活化的先導(dǎo)分子，發(fā)現(xiàn)了肝素（heparin）能高效并選擇性的抑制Caspase-11活化，并闡述了肝素在膿毒癥中能通過抑制Caspase-11的活化防止臟器損傷、DIC發(fā)生和死亡，為今后膿毒癥的防治提供了新的思路。2021年2月，呂奔教授團隊將上述發(fā)現(xiàn)發(fā)表于Cell Press旗下期刊Immunity上，以“Heparin prevents caspase-11-dependent septic lethality independent of anticoagulant properties” 為題。唐怡庭副教授為該論文的第一作者，呂奔教授為該論文的通訊作者。

肝素是哺乳動物內(nèi)源性的多糖分子，也是臨床上常用的抗凝藥物。正式因為具有抗凝作用，肝素在臨床上使用具有出血風(fēng)險，尤其對于重癥患者。該團隊在該研究中進一步分離了肝素的抗凝作用和抗炎作用，并發(fā)明了用無抗凝活性肝素（non-anticoagulant heparin，化學(xué)修飾后的肝素，無出血風(fēng)險）治療膿毒癥的新方法。與肝素應(yīng)用不同，增大無抗凝活性肝素的用量對機體凝血反應(yīng)沒有明顯影響。但無抗凝活性肝素在膿毒癥中同樣能高效的阻斷Caspase-11介導(dǎo)的免疫反應(yīng)和致死性作用。

在機制探討過程中，研究團隊發(fā)現(xiàn)：肝素不是Caspase-11的直接抑制劑，其作用機制是防止LPS進入細胞漿。小劑量的肝素或非抗凝活性肝素能有效阻斷HMGB1蛋白或細菌外膜囊泡介導(dǎo)的LPS入胞，從而抑制Caspase-11活化。申請者隨后闡明了肝素抑制LPS入胞的分子機制，鑒定了肝素酶和HMGB1為肝素或非抗凝活性肝素阻斷LPS入胞的兩個作用靶標（圖1）。

圖1 肝素抑制LPS胞漿內(nèi)轉(zhuǎn)運的分子機制

綜上，上述研究初步鑒定了HMGB1-caspase-11途徑為膿毒癥潛在的藥物干預(yù)靶標，揭示了肝素調(diào)節(jié)免疫反應(yīng)的藥理學(xué)機制，分離了肝素的抗凝作用與抗炎作用，并發(fā)明了用無抗凝活性肝素治療膿毒癥的新方法，為膿毒癥的防治提供了新的思路。呂奔教授團隊長期從事膿毒癥等重癥發(fā)病機理及靶向干預(yù)的基礎(chǔ)與臨床研究，采用重癥醫(yī)學(xué)、血液病學(xué)、免疫學(xué)、病理生理學(xué)、藥理學(xué)、病原微生物學(xué)等多學(xué)科的理論與方法，建立了特色的重癥與凝血病的研究體系，熱忱歡迎不同研究領(lǐng)域的博士后、技術(shù)員和研究生的加入其團隊。

作者專訪

Cell Press細胞出版社特別邀請論文通訊作者呂奔教授代表研究團隊進行了專訪，請他為大家進一步詳細解讀。

CellPress：非抗凝性肝素是如何生成的？其具體作用是什么？

呂奔教授：普通肝素是一類分子量大小不同的內(nèi)源性多糖分子的混合體。其中部分多糖分子具有與抗凝血酶等凝血調(diào)節(jié)蛋白結(jié)合的能力，并發(fā)揮抗凝作用。而非抗凝肝素是其余組分中不能與抗凝血酶結(jié)合且無抗凝活性的多糖分子。非抗凝肝素既可以采用抗凝血酶吸附柱從普通肝素中提取，也可以通過化學(xué)修飾使有抗凝活性的肝素多糖分子失去抗凝作用而獲得。我們發(fā)現(xiàn)：無抗凝活性肝素在膿毒癥中同樣能高效的阻斷Caspase-11介導(dǎo)的免疫反應(yīng)和致死性作用。

CellPress：Caspase-11是如何激活凝血級聯(lián)反應(yīng)并導(dǎo)致膿毒癥的致命結(jié)果的？

呂奔教授：膿毒癥中caspase-11活化后能使其底物GSDMD聚集形成細胞膜鈣離子孔道，通過鈣離子內(nèi)流和磷脂翻轉(zhuǎn)酶的作用引起磷脂酰絲氨酸的外翻、組織因子的活化和凝血瀑布式反應(yīng)，從而造成全身微小血管內(nèi)廣泛血栓栓塞，并最終導(dǎo)致微循環(huán)障礙、多臟器衰竭和死亡。

CellPress：本研究如何證明了肝素和NAH均不影響HMGB1和LPS誘導(dǎo)的TNF和IL-6釋放？

呂奔教授：既往研究提示肝素能抑制內(nèi)毒素（LPS）誘導(dǎo)炎癥因子（如TNF和IL-6等）的表達。我們發(fā)現(xiàn)肝素的這一作用只有當LPS劑量很小的時候才能體現(xiàn)。在致死性的內(nèi)毒素血癥或膿毒癥中，肝素對TNF和IL-6等炎癥因子的產(chǎn)生幾乎無影響，而僅阻斷Caspase-11介導(dǎo)的免疫反應(yīng)。

CellPress：HMGB1如何促進LPS與caspase-11的相互作用？這導(dǎo)致了什么結(jié)果？

呂奔教授：在膿毒癥中，肝臟細胞釋放的HMGB1作為分子伴侶能與血循環(huán)中的內(nèi)毒素（LPS）相結(jié)合，并將LPS高效的轉(zhuǎn)運至細胞漿中，從而活化了LPS的細胞漿受體—Caspase-11，引起大量血管內(nèi)皮細胞和巨噬細胞發(fā)生細胞焦亡（Pyroptosis，細胞程序性死亡的一種），最終導(dǎo)致彌散性血管內(nèi)凝血（DIC）、多臟器功能衰竭和死亡。

CellPress：肝素是如何阻止巨噬細胞糖萼降解的？這導(dǎo)致了什么結(jié)果？

呂奔教授：肝素酶在內(nèi)毒素刺激下或炎癥反應(yīng)中表達增加，能降解細胞膜外側(cè)的糖萼（又稱“多糖包被”）。糖萼的降解能使HMGB1等物質(zhì)更高效的向胞漿內(nèi)轉(zhuǎn)運LPS，使得caspase-11的活化顯著增強。而肝素或非抗凝活性肝素恰能有效的抑制肝素酶的活性，從而阻止糖萼的降解。

CellPress：本研究還有哪些意外的發(fā)現(xiàn)？

呂奔教授：我們在研究中還發(fā)現(xiàn)了肝素不是Caspase-11的直接抑制劑，其作用機制是防止LPS進入細胞漿。小劑量的肝素或非抗凝活性肝素能有效阻斷HMGB1蛋白或細菌外膜囊泡介導(dǎo)的LPS入胞，從而抑制Caspase-11活化。肝素酶和HMGB1為肝素或非抗凝活性肝素阻斷LPS入胞的兩個作用靶標。

作者簡介

呂奔教授

呂奔，臨床醫(yī)學(xué)-免疫學(xué)雙博士，國家杰青、中國青年科技獎獲得者，國家青年973首席科學(xué)家，中南大學(xué)教授、研究員、主治醫(yī)生，湖南省“芙蓉學(xué)者”特聘教授，現(xiàn)任中南大學(xué)醫(yī)院管理處處長、湘雅醫(yī)學(xué)院副院長，湘雅三醫(yī)院副院長，從事重癥醫(yī)學(xué)與血液病的研究與臨床一線工作，在重癥與凝血領(lǐng)域取得了原創(chuàng)性研究突破，以通訊作者在Nature、Immunity（3篇）、Blood和Nature Communications等雜志上發(fā)表了系列論著，多次被邀請在國內(nèi)外重要學(xué)術(shù)會議作主旨或特邀報告，擔(dān)任中國病理生理學(xué)會危重病專委會常務(wù)委員、美國休克學(xué)會組委會成員（共9人）、湖南省醫(yī)學(xué)會血液病分會青年副主委和Mol Med雜志副主編，獲全國青年崗位能手標兵、湖南省“五四青年”獎?wù)碌葮s譽，主持國家自然科學(xué)基金重點項目、國家杰青基金、國家優(yōu)青基金、國家青年973項目等多項科研課題。

相關(guān)論文信息

研究成果發(fā)表在Cell Press旗下Immunity期刊上，點擊“閱讀全文”或掃描下方二維碼查看論文。

▌?wù)撐臉祟}：

Heparin prevents caspase-11-dependent septic lethality independent of anticoagulant properties

▌?wù)撐木W(wǎng)址：

https://www.cell.com/immunity/fulltext/S1074-7613(21)00030-3

▌DOI：

https://doi.org/10.1016/j.immuni.2021.01.007

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