苏州大学李瑞宾团队EST封面 |空气颗粒物呼吸毒性的帮凶：肺部菌群

李瑞宾课题组  2024-09-10

苏州大学李瑞宾教授团队长期致力于环境纳米颗粒的毒理学研究。前期研究发现了多种空气纳米颗粒引发呼吸危害的毒理学新机制，例如铁死亡（Nat. Commun. 2020, 11, 3484; EST 2024, 58, 2166–2184）、NLRP炎性小体激活（Nat. Commun. 2018, 11, 3484; EHP 2020, 128, 067010）等。通过对毒性通路分子起始事件的解析，发现纳米颗粒在生理条件下的生物催化活性是导致其毒性效应的一个重要因素，例如催化脱氢活性（Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 3618）, 催化NAD(P)H氧化活性（J Am Chem Soc 2020, 19602; J Am Chem Soc 2023, 3108），催化内酯水解活性（Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202305485），催化磷酯水解活性（Nano Today 2022, 101456）等。基于这一发现，团队发展了一系列构效关系指导的安全性修饰策略、减低纳米颗粒的毒性效应（Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 22431; Small 2020, 1907663）。近日，李瑞宾与张承东教授团队发现哺乳动物肺组织内的菌群是纳米颗粒，特别是具有杀菌活性纳米颗粒引发肺组织炎症的重要帮凶。纳米颗粒与呼吸道菌群作用引发细菌死亡，释放的细菌DNA分子碎片能够激活Caspase-1/GSDMD通路，引发肺泡巨噬细胞焦亡，从而大量募集炎性细胞，导致肺组织炎症病变（图1）。相关成果在线发表在《Environmental Science & Technology》（DOI: 10.1021/acs.est.4c00141）。

图1 抗菌纳米颗粒物引发细胞焦亡信号通路示意图。

肺泡中的菌群死亡引发细菌DNA分子释放，进而激活caspase-1蛋白催化GSDMD转化成N端形式。产生的N-GSDMD在膜上组装形成孔结构，炎症因子释放，诱发肺部炎症。

图2 抗菌纳米材料引发肺部菌群的功能失调。

抗菌纳米材料对肺部菌群（A）活性，（B）游动能力，（C）群体感应的影响。口咽滴注抗菌纳米材于小鼠肺部，回收小鼠肺灌洗液并进行活性计数（D），对肺组织切片进行Fish荧光染色（E）发现原位肺部菌群生物膜结构被显著破坏。


研究团队首先构建了肺部菌群的培养组学，考察了一系列不同理化性质纳米颗粒对肺部菌群的影响，发现银、氧化铜、氧化石墨烯等纳米颗粒具有显著的杀菌活性，干扰肺部菌群通讯以及菌群游动。同时发现这些纳米颗粒呼吸暴露于小鼠肺组织后会引发强烈的肺组织炎症响应（图2）。为了探索这两个事件之间的关联性，研究团队构建了肺部菌群缺失的小鼠（PMFdef）模型，选择银纳米颗粒（Ag NPs）为研究对象，比较了Ag NPs在PMFdef及野生型小鼠肺组织内引发炎症响应的差异。研究结果表明银纳米颗粒暴露于PMFdef小鼠后，并没有引发显著的炎症因子释放以及肺组织内炎性细胞的募集（图3）。这一结果暗示肺部菌群可能是银纳米颗粒引发肺组织炎症的重要帮凶。


图3 Ag NPs在正常和肺部菌群缺失小鼠内引发的毒性效应差异对比。

（A）肺组织中肺菌群的原位Fish荧光染色；（B）小鼠操作示意图；（C）肺组织H&E染色切片和（D）肺部灌洗液中细胞因子分泌。


为了进一步验证上述猜想，研究团队将Ag NPs处理的肺部菌群拆分为蛋白、脂质、小分子代谢物、肽聚糖、脂多糖、DNA和RNA等部分，将其分布暴露于巨噬细胞。与传统的认知大相径庭，细菌DNA碎片分子而非脂多糖是引发细胞毒性效应的关键组分。观测结果表明，细菌DNA碎片分子引发巨噬细胞产生大量表面空泡，其形态类似细胞焦亡。为了进一步验证此毒性机理，团队系统考察了细胞焦亡通路的关键信号分子。发现细菌DNA碎片分子引发细胞Caspase-1蛋白激活，催化激活N端GSDMD蛋白，在细胞膜表面募集形成孔洞结构，释放细胞内大量促炎信号分子，例如ATP，IL-1β等（图4）。接下来，研究团队将Ag NPs引发的DNA碎片分子回注到PMFdef模型小鼠肺组织后，又检测到了显著的肺组织炎症病变，并且这种炎症可以被焦亡抑制剂显著抑制（图5）。这些结果充分证明肺部菌群是纳米颗粒引发肺组织炎症的重要帮凶。

图4 Ag NP诱导的肺部菌群DNA引发细胞焦亡

（A）肺部菌群组分与Ag NPs的联合炎症效应；（B）焦亡抑制剂显著降低了菌群DNA引发的细胞死亡；（C）caspase-1荧光染色（D）GSDMD蛋白表达；（E）巨噬细胞表面打孔现象。Nigericin是引发细胞焦亡的阳性药物。


图5 在肺部菌群缺失的小鼠模型中验证抗菌颗粒物引发菌群DNA释放，促使肺免疫细胞焦亡的机制。

（A）肺部灌洗液中的细胞因子表达；（B）肺组织GSDMD蛋白表达；（C）肺泡巨噬细胞caspase-1荧光染色；（D）肺组织H&E染色。

 

相关成果以“Nano-microflora Interaction Inducing Pulmonary Inflammation by Pyroptosis”为题在线发表，苏州大学放射医学与防护学院高梦副研究员为文章的第一作者，北京师范大学张承东教授与苏州大学李瑞宾教授为本文的共同通讯作者。该成果受到国家自然科学基金面上项目，国家杰出青年科学基金，国家重点研发计划和江苏省杰出青年科学基金的资助。