研究背景:
心肌缺血再灌注损伤(MIRI)是急性心肌梗死再灌注治疗后常见的并发症,其病理机制涉及复杂的程序性细胞死亡网络。传统单一靶向焦亡、凋亡或坏死性凋亡的治疗效果有限,因为这些死亡途径之间存在广泛的分子交互作用。PANoptosis作为一种新发现的炎症驱动型程序性细胞死亡方式,整合了焦亡、凋亡和坏死性凋亡的分子组件,形成多层次的PANoptosome复合物,但其在心血管疾病中的治疗潜力尚未被充分探索。

针对上述问题,上海交通大学郑元义/蔡晓军/李博团队发现普鲁士蓝纳米颗粒(PB)可作为一种新型多靶点PANoptosis抑制剂。通过分子动力学模拟,PB能够与PANoptosome核心组分RIPK1、ZBP1和AIM2发生强相互作用,抑制其组装。为进一步提高心脏靶向性,研究团队构建了血小板膜包裹的PB纳米颗粒(PB@PM)。在MIRI小鼠模型中,PB@PM显著改善心功能、减少梗死面积、抑制心肌细胞肥大,并恢复免疫-炎症稳态。转录组学与多重免疫印迹验证了PB@PM对PANoptosis通路的全面抑制作用。该研究系统性地将单核转录组学、分子模拟、体内成像与转录组学整合,为PANoptosis相关心血管疾病的治疗提供了全新的纳米策略。该文章于2026年2月27日以《Prussian blue nanoparticles targeting multiple PANoptosome-mediated PANoptosis for myocardial ischemia-reperfusion injury therapy》为题发表于《Nature Communications》(DOI: 10.1038/s41467-026-70012-2)。

图1. PB抑制MIRI中PANoptosis的机制示意图。
(1)MIRI作为PANoptosis相关疾病模型
为临床验证PANoptosis靶向潜力,该团队分析了人急性心肌梗死样本的单核转录组数据集。通过对非移植供心(对照组)与急性心肌梗死患者坏死核心(缺血区,IZ)标本进行比较分析,UMAP和PCA聚类共鉴定出13种 distinct 细胞群,包括脂肪细胞、B细胞、心肌细胞、内皮细胞、成纤维细胞、单核吞噬细胞、T细胞等。结果显示IZ标本中总体细胞数量显著减少,尤以心肌细胞最为明显。心肌细胞亚群分析将其分为5个亚型,发现亚群1、2、4和5在IZ组中大量耗竭。单细胞水平的PANoptosis激活特征映射显示,心肌细胞表现出最显著的促PANoptotic转变;死亡方式分析表明,急性心肌梗死发生时整体心肌细胞以凋亡/坏死性凋亡激活为主,而IZ区心肌细胞中焦亡、凋亡和坏死性凋亡同时放大。此外,多个PANoptosis相关基因(AIM2、ZBP1、RIPK1、NLRP3、MLKL、GSDMD、caspase 1/3/8等)在IZ组整体细胞群和心肌细胞中的表达水平均显著上调。这些发现证实MIRI是PANoptosis驱动的心血管疾病代表模型。

图2. MIRI作为代表性PANoptosis驱动疾病模型。a) 人急性心肌梗死缺血区(IZ)、远端区(RZ)和边缘区(BZ)示意图。b) 对照组与IZ组细胞分布的UMAP可视化(左)及注释细胞类型(右)。c) 心肌细胞亚群定量(左)及UMAP聚类(右)。d,e) 各心脏细胞类型PANoptosis激活的UMAP投影(D)及箱线图(E)。f) 比较两组PANoptosis相关基因表达的小提琴图。g,h) 对照组与IZ组心肌细胞特异性UMAP(G)及PANoptosis水平定量(H)。i) 心肌细胞亚群比例。j,k) 各心肌细胞亚型中凋亡/PANoptosis/焦亡/坏死性凋亡激活模式(J)及PANoptosis相关基因(K)的热图。
(2)PB与PANoptosis相关蛋白相互作用的计算模拟
为阐明PB与PANoptosome核心组分的相互作用,该团队进行了分子动力学模拟。目前,ZBP1、RIPK1和AIM2 PANoptosome已在分子水平得到表征。模拟系统经RMSD平衡验证具有稳健性。对于AIM2系统,PB显著干扰AIM2 HIN结构域构象,接触残基主要集中在带电荷的Arg和Lys残基上,总相互作用能达−267.4 kJ/mol,以静电作用力为主;而PB对AIM2 PYD结构域构象影响较弱。对于ZBP1,PB结合能为−157.9 kJ/mol,关键界面残基Arg135/Lys138处的静电作用主导了PB表面粘附,同时半径回旋(Rg)轨迹分析显示ZBP1结构发生压缩,可能破坏Zα结构域介导的dsDNA识别。对于RIPK1,PB紧密结合于其C端片段,涉及N端螺旋结构域转角区的Glu98、Met99、Pro102、Leu103、Thr244、Tyr246、Ser282和Gln283等关键残基,整体相互作用能为−73.2 kJ/mol,范德华相互作用占主导,特别是Tyr与PB之间的强相互作用。这些结果为PB调控PANoptosis病理进展提供了治疗策略依据。

图3. PB与PANoptosis相关蛋白相互作用的计算模拟。a) PB-AIM2HIN模拟系统的初始和最终快照(200 ns)。b,c) AIM2HIN两条链与PB的残基接触细节。d,e) AIM2HIN接触残基与PB的相互作用能分析(n = 10)。f) PB-AIM2HIN中PB与蛋白相互作用能随时间变化。g-i) PB-ZBP1系统模拟结束时的构象(G)、残基接触细节及相互作用能分析(H),以及相互作用能随时间变化(I)。j-l) PB-RIPK1系统模拟结束时的构象(J)、残基接触细节及相互作用能分析(K),以及相互作用能随时间变化(L)。
(3)PB@PM的构建及心脏靶向效率
基于分子动力学模拟数据和生物医学纳米技术需求,该团队通过单前驱体介导的一步水热法合成PB纳米颗粒,以聚乙烯吡咯烷酮(PVP)作为还原剂和分散稳定剂。SEM和TEM揭示了纳米颗粒的形貌、尺寸和均一性;元素映射、XRD、XPS、UV-Vis-NIR和FTIR等全面材料表征确认了PB的成功构建。为实现靶向递送,采用野生型小鼠血小板膜(PM)包被PB构建PB@PM。TEM、Western blotting、荧光共定位、DLS和zeta电位结果均证实PB@PM成功构建,其中Western blotting证实PB@PM表面保留了血小板特异性蛋白(CD41、CD42b、CD47和GP6)。体内荧光成像分析显示,在MIRI小鼠中,PB@PM在缺血心肌区域的荧光强度在给药后12 h和24 h均显著高于PB处理组,且肝脏、脾脏、肺和肾脏的荧光强度在各组间无显著差异,表明PB@PM具有优异的心肌靶向效率和持续滞留能力。此外,血液学分析和主要器官H&E染色未见明显病理改变,证实了良好的生物安全性。

图4. PB@PM的构建及其心脏靶向效率。a) PB的SEM图像。比例尺,200 nm。b) PB的TEM图像。比例尺,200 nm。c) PB的元素映射。比例尺,100 nm。d) PB@PM的TEM图像。比例尺,50 nm。e) PM和PB@PM中CD41、CD42b、CD47和GP6表达的Western blot分析。f) PB@PM中PB与PM的荧光共定位;对照为FITC标记PB(绿色)和Dil标记PM(红色)的直接混合物。比例尺,10 μm。g) 给药后12 h和24 h主要器官的离体荧光图像。h,i) 各组心脏、肝脏、脾脏、肺和肾脏荧光强度的定量分析(n = 3)。
(4)PB@PM在MIRI中的治疗效果
该团队通过小鼠MIRI模型评估了PB@PM的治疗潜力。超声心动图连续监测显示,术后14天和28天,PB@PM治疗组在LVEF、LVFS、LVESV和LVEDV等心功能参数上均显著优于MIRI组和PB组,且PB@PM治疗效果优于未包被的PB。术后28天组织学评估中,Masson三色染色和H&E染色显示PB@PM显著减轻MIRI诱导的心肌萎缩、心室壁变薄和过度胶原纤维沉积。急性期(术后3天)Evans blue/TTC双染色定量分析表明,PB@PM组梗死区/危险区比值(IF/AAR)显著降低。TUNEL染色显示PB@PM显著减少梗死边缘区TUNEL阳性心肌细胞数量。免疫荧光分析进一步揭示,PB@PM显著减少CD86阳性M1型巨噬细胞和Ly6G阳性中性粒细胞的浸润,并促进抗炎M2极化(上调IL-10和TGF-β,下调TNF-α、IL-1β和IL-6)。在修复期,PB@PM处理组梗死周边区的I型和III型胶原、α-SMA阳性肌成纤维细胞及CD31阳性血管内皮细胞表达水平最高,同时有效减轻病理性心肌细胞肥大。这些结果表明PB@PM通过协同促进细胞外基质重塑、血管生成和抑制不良心肌重构,发挥显著的心脏保护作用。

图5. PB@PM改善心功能并减轻梗死后重塑。a-e) 术前及术后1、14、28天的超声心动图分析,包括LVEF(B)、LVFS(C)、LVESV(D)和LVEDV(E)。比例尺,100 ms。f) 术后28天心脏的Masson和HE染色代表性图像。比例尺,1 mm。g) 术后28天心脏纤维化定量。h) 术后3天Evans blue/TTC染色及定量分析,显示各组心肌细胞存活和血液灌注情况。比例尺,1 mm。i,j) 梗死周边区TUNEL(红色)和cTnT(绿色)共染色及定量。比例尺,50 μm。k,l) 梗死周边区CD86免疫荧光代表性图像及定量。比例尺,1 mm或50 μm。m,n) 梗死周边区Ly-6G免疫荧光染色及定量。比例尺,1 mm或50 μm。o-r) 梗死周边区α-SMA(红色)/cTnT(绿色)和CD31(红色)/cTnT(绿色)免疫荧光染色及定量。比例尺,1 mm或50 μm。(4)PB@PM在MIRI中的治疗效果。
(5)PB@PM全面阻断焦亡、凋亡和坏死性凋亡之间的crosstalk
为阐明PB@PM抑制PANoptosis的分子机制,该团队对术后3天心肌组织进行了转录组测序。PCA显示PB@PM处理组与MIRI组具有显著不同的聚类模式。与MIRI组相比,PB@PM治疗诱导了1875个上调和2752个下调的差异表达基因(DEGs)。GSVA分析显示,MIRI组中焦亡、凋亡和坏死性凋亡通路表达显著升高,而PB@PM治疗组中这些通路均被显著下调。KEGG富集分析表明,PB@PM显著抑制了与焦亡、凋亡、坏死性凋亡以及NF-κB、TNF、趋化因子和Toll样受体信号通路相关的分子通路。GSEA网络图和蛋白网络进一步显示,这三种死亡通路紧密互连、相互增强;PB@PM处理后其表达水平显著降低,接近Sham组。Western blot系统验证显示,MIRI组中AIM2、ZBP1、Pyrin、ASC、FADD、凋亡标志物(cleaved caspase 3/8、Bax)、坏死性凋亡标志物(p-RIPK1、RIPK3、p-RIPK3、MLKL、p-MLKL)和焦亡标志物(cleaved caspase 1、NLRP3、GSDMD、cleaved-GSDMD)均显著上调,而PB@PM显著下调了这些PANoptosis相关蛋白的表达,并上调Bcl-2。此外,PB@PM显著抑制了ASC与caspase 1/8的共定位,而这两者共定位对PANoptosome复合物组装至关重要。机制上,PB@PM通过双重途径发挥作用:(1)直接靶向:高亲和力结合并功能抑制核心PANoptosome组分(RIPK1、ZBP1和AIM2),破坏PANoptosis启动;(2)间接缓解:强效清除ROS(•OH和•OOH),保护线粒体膜电位和氧化磷酸化功能,消除PANoptosome激活的关键上游触发因素,并恢复免疫炎症稳态。

图6. PB@PM在体内全面阻断焦亡、凋亡和坏死性凋亡之间的crosstalk。a) RNA-seq数据的PCA分析(Sham:橙色;MIRI:绿色;PB@PM:蓝色;n = 5)。b) PB@PM vs MIRI的差异表达基因火山图。c) Sham-MIRI与PB@PM-MIRI比较中共享DEG的Venn图。d) 各组通路富集的GSVA分析。e) PB@PM vs MIRI下调基因的KEGG通路富集。f,g) 焦亡、凋亡和坏死性凋亡的GSEA网络(F)及蛋白相互作用网络(G)。h) PB@PM组相比MIRI组焦亡、凋亡和坏死性凋亡显著下调的GSEA图。i) 各组中焦亡、凋亡和坏死性凋亡的Pearson相关性分析。j) 缺血心肌中PANoptosis相关蛋白(AIM2、ZBP1、Pyrin、ASC、FADD、Bax、Bcl-2、磷酸化/总RIPK1/RIPK3/MLKL、cleaved/总caspase-1/3/8和GSDMD)的Western blot(n = 5)。
本研究创新性提出并验证了普鲁士蓝(PB)纳米颗粒作为多靶点PANoptosis抑制剂的治疗潜力,成功构建了血小板膜包裹的靶向递送系统PB@PM,并在体内外模型中系统揭示了其通过干预PANoptosome组装、清除活性氧(ROS)、恢复线粒体功能与免疫稳态来缓解心肌缺血再灌注损伤(MIRI)的分子机制。 与传统纳米酶研究主要聚焦于类过氧化物酶、类超氧化物歧化酶等催化活性以被动清除ROS不同,本研究通过分子动力学模拟首次发现PB能够与PANoptosome核心组分(RIPK1、ZBP1、AIM2)发生强静电/范德华相互作用,直接干扰死亡复合物的组装,从而将纳米酶的功能范式从被动清除有害小分子提升到主动靶向关键信号蛋白复合物的新层次。作为首个被报道的"纳米酶类PANoptosis多通路抑制剂",该研究为治疗其他PANoptosis相关疾病(如脓毒症、神经退行性疾病)提供了全新平台。此外,研究整合分子动力学模拟、人类心脏单核转录组学、bulk RNA-seq与通路富集、医学影像与病理验证等多模态跨尺度研究方法,为未来纳米酶作用机制解析提供了高可复用的研究范式。 综上所述,本研究不仅发现了PB作为多靶点PANoptosis抑制剂的新生物学功能,更推动纳米酶研究从催化功能向蛋白质机器调控拓展,为领域贡献了新概念、新方法、新靶点与新剂型,具有重要的科学价值与转化前景。
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