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

天然氣和工程微藻可預防膿毒癥中的急性肺損傷

來源：Materials Today Bio 28 (2024) 101247

 

1. 摘要核心內容

 

本研究通過多組學分析（磷酸化蛋白質組學、代謝組學、單細胞/空間轉錄組）發現氫氣治療膿毒癥肺損傷的靶點蛋白（Esam/Zo-1）和關鍵通路（鐵死亡、谷胱甘肽代謝）。基于此，構建了由小球藻（Chlorella vulgaris） 負載的二氫槲皮素-氨硼烷自組裝納米系統（DQB@C），實現了感染微環境響應性氫氣釋放。體內外實驗證實，DQB@C通過抑制炎癥因子、調節鐵死亡通路（Slc7a11↑/Cox2↓）和保護緊密連接蛋白，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。

解決氫氣臨床應用瓶頸：克服長期吸入氫氣對呼吸道的刺激問題。

開發新型納米遞送系統：利用微藻載體實現氫氣與天然藥物的協同遞送。

 

3. 研究思路

 

采用 “機制探索→藥物篩選→納米構建→功能驗證” 四步策略：

 

多組學分析：

磷酸化蛋白質組學：鑒定CLP（盲腸結扎穿孔）膿毒癥小鼠模型經氫氣干預后的差異磷酸化蛋白（圖2）。

 

代謝組學：分析肺組織代謝通路變化（圖3）。

 

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

 

候選藥物篩選：基于網絡藥理學篩選二氫槲皮素（DQ）為Esam/Zo-1調節劑。

納米系統構建：

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

微藻負載：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、鐵死亡調控（圖6-7）。

 

 

 

體內：生存率、器官保護、靶蛋白表達（圖8）。

 

 

4. 關鍵數據及研究意義

(1) 磷酸化蛋白質組學（圖2）

 

數據：

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

氫氣逆轉膿毒癥導致的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制，為靶向干預提供依據。

 

(2) 代謝組學（圖3）

 

數據：

膿毒癥組谷胱甘肽代謝紊亂，鐵死亡通路激活（p<0.05）。

氫氣干預恢復代謝穩態。

意義：揭示氫氣通過調節氧化應激與鐵死亡發揮保護作用。

 

(3) 單細胞/空間轉錄組（圖4）

 

數據：

Esam/Zo-1共表達于肺血管內皮細胞（圖4E-F）。

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

意義：從空間層面定位靶點，證實內皮屏障破壞是肺損傷的關鍵環節。

 

(4) DQB@C納米系統表征（圖5）

 

數據：

小球藻改善DQB分散性（TEM顯示聚集減少）。

pH 6.5感染微環境下持續釋放氫氣（圖5F）。

細胞攝取效率高（12 h內熒光標記納米粒內化，圖5H）。

意義：微藻載體解決自組裝納米粒穩定性問題，實現微環境響應性釋氫。

 

(5) 體內外功能驗證

 

體外（圖6-7）：

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

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

體內（圖8）：

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

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

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

 

5. 核心結論

 

機制創新：氫氣通過調節Esam/Zo-1磷酸化和鐵死亡通路緩解膿毒癥肺損傷。

納米系統優勢：DQB@C實現：

精準釋氫：感染微環境（pH 6.5）觸發氨硼烷水解產氫。

協同治療：二氫槲皮素增強抗氧化/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），且兼具多器官保護功能。

 

6. 丹麥Unisense電極的研究意義

(1) 技術原理

 

電極型號：REF321 Ag/AgCl微電極（尖端直徑10 μm）。

校準方法：pH 4.0/7.0/9.0/11.0標準液校準，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) 關鍵應用

 

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

動態監測潛力：支持活體組織實時pH追蹤（本研究未開展，但技術可行）。

 

(3) 研究價值

 

空間分辨率優勢：

微尺度定位：避免組織勻漿導致的區室化pH信息丟失。

機制關聯橋梁：將“感染→微環境酸化→納米系統響應釋氫”鏈條實證化，推動精準給藥系統設計。

 

圖表索引

 

圖2：磷酸化蛋白質組學分析（差異蛋白/通路/PPI網絡）

圖3：代謝組學結果（PCA/差異代謝物/通路富集）

圖4：單細胞與空間轉錄組（靶基因定位/共表達）

圖5：DQB@C納米系統表征（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：體外靶蛋白調控（Slc7a11/Cox2/Zo-1/Esam）

圖8：體內療效（生存率/器官功能/病理/靶蛋白表達）

 

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。