五味子乙素通过抑制Caspase-1及膜修复减轻PM2.5诱导的细胞焦亡

《Membranes》：Schisandrin B Attenuates PM2.5-Induced Pyroptosis via Caspase-1 Inhibition and Membrane Repair Le Deng, Lian-Ying Liao, Xiao Ling, Li Li, You-Jie He and Miao-Miao Guo

　　

五味子（Schisandra chinensis）是一种广泛分布于东亚的药用植物，长期以来被用于传统草药医学。植物化学研究表明，木脂素是其主要的生物活性成分，其中五味子乙素（Sch B）是最丰富且具有显著药理活性的化合物之一。既往研究证实Sch B具有抗氧化、抗炎、保肝及细胞保护等多种生物学活性。作为一种源自五味子的天然木脂素化合物，Sch B因其在环境和炎症损伤中的潜在保护作用而备受关注。本研究旨在探讨Sch B对PM2.5诱导的THP-1细胞炎性损伤的保护作用及其潜在分子机制。研究人员通过建立体外PM2.5诱导的THP-1细胞损伤模型，并应用Sch B干预，采用酶联免疫吸附测定（ELISA）、聚合酶链式反应（PCR）和蛋白质印迹（Western Blot, WB）等方法检测炎症相关指标及通路。结果显示，Sch B显著抑制了白细胞介素-1β（IL-1β）的分泌，并减轻了PM2.5诱导的THP-1细胞焦亡。机制研究表明，Sch B通过抑制Caspase-1的激活及gasdermin D（GSDMD）裂解为其活性N端片段（N-GSDMD），从而缓解细胞膜损伤和炎性因子释放。此外，Sch B处理与ALG-2、ALIX和TSG101的上调相关，提示其可能参与ESCRT-III相关的膜修复机制。综上所述，源自五味子的天然木脂素化合物Sch B通过减少细胞膜损伤和炎性细胞因子释放，对PM2.5诱导的THP-1细胞焦亡表现出保护作用。这些效应与抑制Caspase-1活性和GSDMD裂解以及激活ESCRT-III相关的膜修复反应有关。这些发现共同强调了Sch B作为对抗颗粒物诱导的炎性损伤的天然细胞保护化合物的潜力。

该研究聚焦于环境污染物细颗粒物（PM_2.5）引发的呼吸道及系统性炎症问题。PM_2.5能够诱导细胞发生依赖于NLRP3/Caspase-1通路的细胞焦亡（Pyroptosis），这是一种伴有细胞膜破裂和大量促炎因子释放的程序性细胞死亡方式，其核心机制涉及GSDMD蛋白的N端结构域形成膜孔。尽管传统中药五味子（Schisandra chinensis）及其主要活性成分五味子乙素（Sch B）已知具有抗炎特性，但其能否通过调控焦亡关键蛋白及细胞膜修复机制来拮抗PM_2.5损伤尚不明确。为此，研究人员开展了相关研究，证实了Sch B通过双重机制——即抑制Caspase-1/GSDMD介导的成孔效应与促进ESCRT-III相关膜修复——缓解PM_2.5诱导的THP-1细胞焦亡，该成果发表在《Membranes》期刊上。

在关键技术方法方面，研究人员首先采集北京海淀区大气中的PM_2.5，经超声提取、冻干及灭菌处理后制备成刺激悬液。细胞实验选用THP-1单核细胞系，通过CCK-8法确定药物浓度，利用流式细胞术（Annexin V-FITC/PI双染）检测细胞焦亡率，并通过ELISA检测上清液中IL-1β水平。分子机制层面，采用Caspase-Glo^?1试剂盒检测Caspase-1酶活性，利用实时荧光定量PCR（RT-qPCR）检测基因转录水平，并通过Western Blot检测GSDMD、ALG-2、ALIX及TSG101等关键蛋白的表达与裂解情况，同时利用Fluo-4 AM探针通过流式细胞术检测细胞内Ca²⁺浓度变化。

研究结果部分显示：

1. 1.
   PM_2.5对THP-1细胞焦亡的影响：流式细胞术分析表明，PM_2.5刺激呈浓度依赖性增加了Annexin V+/PI+细胞群体（Q2象限），证实了PM_2.5可成功诱导THP-1细胞发生焦亡。
2. 2.
   Sch B对PM_2.5诱导的细胞膜损伤的影响：
   • •
     Sch B减轻IL-1β释放：ELISA结果显示，Sch B预处理显著降低了PM_2.5刺激导致的IL-1β分泌增加，其效果接近阳性对照Caspase-1抑制剂Ac-YVAD-CMK。
   • •
     Sch B降低Caspase-1活性：Caspase-Glo^?1检测发现，Sch B剂量依赖性地抑制了PM_2.5诱导的Caspase-1活化，峰值抑制效果与阳性对照相当。
   • •
     Sch B显著减少N-GSDMD生成：Western Blot结果显示，虽然GSDMD总蛋白及mRNA水平无变化，但Sch B显著抑制了PM_2.5诱导的GSDMD蛋白裂解为N端活性片段（N-GSDMD，~31 kDa）。
3. 3.
   Sch B与ESCRT-III相关膜修复反应的关联：
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     Sch B促进Ca²⁺内流：流式细胞术检测发现，5 μM Sch B处理进一步促进了PM_2.5刺激下的细胞内Ca²⁺内流，这被视为触发膜修复的信号。
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     Sch B对ESCRT相关标志物的影响：RT-qPCR及Western Blot结果显示，Sch B诱导了ALG-2、ALIX和TSG101 mRNA的浓度依赖性上调，并在蛋白水平上显著提高了ALIX的表达，提示其增强了ESCRT系统的分子储备。

在讨论与结论部分，研究人员指出，该研究揭示了Sch B对抗PM_2.5诱导的细胞焦亡的双重保护机制。一方面，Sch B通过抑制Caspase-1的激活，阻断了GSDMD的裂解，从而减少了细胞膜上的穿孔结构，限制了IL-1β等炎性因子的释放；另一方面，Sch B可能通过促进Ca²⁺内流，上调ALG-2、ALIX及TSG101等ESCRT-III相关标记物，增强了细胞自身的膜修复能力，以应对PM_2.5造成的膜损伤。尽管该研究明确了Sch B在体外模型中的保护作用，但仍存在局限性，例如未明确PM_2.5中具体致损成分，且缺乏体内慢性暴露验证。总之，该研究表明Sch B不仅能抑制经典的焦亡信号通路，还能调动细胞的膜修复机制，这为开发针对空气污染物所致炎症性损伤的天然防护剂提供了重要的理论依据。