刘星/Judy Lieberman/吴皓合作揭示脓毒症治疗新候选药物

脓毒症(Sepsis)是一种由病原微生物感染引起的宿主抗感染免疫失调导致的系统性炎症反应综合征。人类作为脓毒症易感群体,发病率高,全球每年新增大约3000万脓毒症病例。而且脓毒症病情进展迅速,病死率高达百分之五十。脓毒症休克也是新型冠状病毒肺炎(COVID-19)重症患者主要临床症状之一。至今为止,针对脓毒症的临床治疗手段仍十分有限,主要依赖于抗生素的使用和临床重症监护;相关靶向药物的研发多集中于针对模式识别受体——Toll样受体(Toll Like Receptor)的抑制和对促炎因子的靶向中和,但临床效果并不显著。
最近研究发现,脓毒症与一种被称为焦亡(pyroptosis)的炎性细胞死亡过程紧密相关,这是一种常见于病原体感染状态的程序性细胞死亡机制。在焦亡过程中,免疫细胞释放促炎症细胞因子,同时细胞发生肿胀与裂解。释放的细胞因子会招募其他免疫细胞来抵抗感染并导致组织炎症,增强宿主的防御反应;焦亡的发生可促进机体清除入侵的病原体。而焦亡程序的过度激活则是脓毒症中免疫失调的重要原因。免疫细胞短时间内大量焦亡则会引起强烈的炎症风暴和器官功能障碍,同时导致免疫细胞耗竭。
近年来的研究显示,宿主表达的Gasdermin D(GSDMD)是焦亡途径中的关键执行分子,该蛋白可以被宿主炎症小体激活的炎性半胱天冬蛋白酶(Inflammatory caspases)剪切释放出活化的N末端GSDMD,N末端GSDMD可与定位于细胞膜内侧的磷脂结合,并在膜上形成孔洞,导致胞质成分的释放以及细胞破裂。因此,GSDMD同时调控免疫细胞的死亡与相关炎症因子的释放。基于细胞和动物的一系列实验也表明,GSDMD的缺失能够显著抑制脂多糖(LPS)或感染引发的细胞焦亡以及脓毒症的发生。因此,GSDMD被视作脓毒症治疗药物开发的新型理想靶点。
2020年5月4日,来自中科院上海巴斯德研究所的刘星研究员与美国哈佛大学医学院Judy Lieberman教授及吴皓教授合作在Nature Immunology杂志上发表题为FDA-approved disulfiram inhibits pyroptosis by blocking gasdermin D pore formation的研究论文,报道了通过高通量筛选发现靶向GSDMD的小分子抑制剂——双硫仑(disulfiram),并揭示该小分子化合物对GSDMD成孔作用的抑制机理。
该研究首次发现被FDA批准临床使用的戒酒药物双硫仑具有抑制GSDMD成孔的活性。研究团队利用脂质体渗漏实验系统对3752个小分子化合物进行了高通量筛选,发现其中候选分子双硫仑能够显著抑制GSDMD造成的脂质体渗漏。随后,研究团队用尼日利亚菌素(nigericin)刺激与电转LPS,分别触发经典和非经典炎症小体引起的细胞焦亡,并用双硫仑分别进行处理,发现双硫仑对这两种途径诱导的焦亡均能显著抑制。
进一步地研究发现,双硫仑不影响炎性Caspase对GSDMD的剪切,但可以直接抑制切割后的N末端GSDMD的成孔活性,这表明双硫仑直接靶向并作用于GSDMD的成孔过程。为了深入探究双硫仑的抑制机理,研究团队通过液相色谱-串联质谱分析了双硫仑处理的GSDMD蛋白,发现其191位半胱氨酸(Cys191)被双硫仑分子的一半对称结构所修饰。后续实验检测了炎症小体通路中的其它关键事件,包括炎性caspase的活化,IL1β的剪切成熟等,发现双硫仑对以上过程皆无明显影响。这些结果表明双硫仑对焦亡的抑制作用是通过修饰GSDMD特异性地阻断其成孔活性所实现。最后,研究团队又通过腹腔注射LPS的方法构建了小鼠脓毒症模型,发现在双硫仑处理下,脓毒症小鼠的炎症水平大幅度降低,存活水平也得到显著提升。综上,本文通过大规模筛选发现了双硫仑对GSDMD成孔和细胞焦亡过程具有显著抑制作用;该分子可以修饰GSDMD的191位半胱氨酸残基,从而抑制GSDMD的成孔活性;并通过脓毒症小鼠模型证明了双硫仑对脓毒症的缓解效果。这一研究为脓毒症相关药物的研发展示了新的前景。
值得关注的是,中科院上海巴斯德研究所刘星研究员与哈佛大学医学院Judy Lieberman教授受邀为Annual Review of Immunology最新一期联合撰写了题为Knocking’em Dead: Pore-Forming Proteins in Immune Defense的研究综述,系统回顾并介绍了在机体免疫过程中引起微生物和宿主细胞死亡的膜穿孔蛋白。综述对这类膜穿孔蛋白的功能、特异性、活化及调控过程作了详细的阐述,并着重分析了膜穿孔蛋白破膜的机制以及它们所形成的孔洞的结构。
原文链接:https://doi.org/10.1038/s41590-020-0669-6
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