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二甲双胍通过阻断线粒体DNA合成抑制NLRP3炎性小体激活

2021.6.09

　　流行病学研究显示，急性呼吸窘迫综合症 (Acute respiratory distress syndrome, ARDS) 成为新型冠状病毒肺炎患者死亡的主要原因。急性呼吸窘迫综合症是在严重感染或创伤过程中，肺毛细血管内皮细胞和肺泡上皮细胞炎症性损伤造成的弥漫性肺泡损伤导致的急性低氧性呼吸功能不全或衰竭。研究显示，具有减肥、抗癌、抗炎功能的二甲双胍 (metformin) 可显著降低2型糖尿病或肥胖患者COVID-19死亡率，但具体机制尚不清楚。

　　2021年6月8日，UCSD的Michael Karin研究团队在Immunity上发表了文章Metformin inhibition of mitochondrial ATP and DNA synthesis abrogates NLRP3 inflammasome activation and pulmonary inflammation，报道了二甲双胍通过阻断线粒体DNA合成抑制NLRP3炎性小体激活。

　　研究人员利用二甲双胍处理LPS-induced ARDS 小鼠，通过病理学分析，发现二甲双胍明显抑制肺损伤。同时，在血管紧张素转换酶2（ACE2）转基因小鼠中，也观察到了二甲双胍明显减弱巨噬细胞 (macrophage) 和中性粒细胞 (neutrophil) 的募集，并阻断适应分子凋亡相关斑点样蛋白 (ASC) 的聚集。因此研究人员开始对这个表型现象展开进一步机理研究。

　　ASC是NLRP3炎性小体的一个重要指标。NLRP3炎性小体由核苷酸结合寡聚化结构域受体-3 (NLRP3) 蛋白、适应分子凋亡相关斑点样蛋白 (ASC) 和半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶-1前体 (pro-caspase-1) 构成，其中ASC介导NLRP3和半胱氨酸天冬氨酸蛋白酶-1 (caspase-1) 的联系和作用。NLRP3炎性小体介导细胞因子释放需要两个关键阶段：信号1 (priming step)：Toll样受体 (TLR) 的配体 (如脂多糖LPS) 与其同源受体结合导致转录因子NF-κB向细胞核转位，继而诱导NLRP3、白介素-1β (IL-1β) 和白介素-18 (IL-18) 前体 (pro-IL-1β和pro-IL-18) 的表达；信号2 (activation step)：蛋白负责病原相关模式分子 (PAMPs) 或者损伤相关模式分子 (DAMPs) 的识别激活NLRP3炎性小体并导致pro-caspase-1的聚集和裂解，进而生成mature caspase-1，导致pro-IL-1β和pro-IL-18裂解生成炎症因子IL-1β和IL-18。研究证实IL-1β和IL-18释放在ARDS中扮演了重要角色。和体内实验一致的是，研究人员用巨噬细胞的体外试验显示二甲双胍抑制caspase-1与IL-1β裂解和释放。有意思的是，二甲双胍并不影响NF-κB向细胞核转位，NLRP3、IL-1β前体(pro-IL-1β) 的表达。因此推断这可能与依赖线粒体DNA（mtDNA）合成的activation step有关。

　　Michael Karin 团队曾报道 Toll样受体参与LPS-induced mtDNA 的合成, 这对于NLRP3信号传导至关重要。通过体外试验，研究人员进一步发现作为mitochondrial Complex I 抑制剂，二甲双胍抑制ATP合成，进而减弱mtDNA 合成酶polg 活性，因而阻断mtDNA的新合成。新合成的裸露的mtDNA在线粒体中易被氧化生成Ox-mtDNA进而被释放进细胞质激活NLRP3炎性小体。因而，在机理上，研究人员发现二甲双胍通过减弱胞质中的Ox-mtDNA而抑制NLRP3炎性小体激活，抑制caspase-1与IL-1β裂解和释放。而这个过程并不依赖二甲双胍激活的AMPK通路,自噬或线粒体自噬过程。

　　另一方面，在LPS-induced ARDS 小鼠模型中，研究人员发现二甲双胍抑制了白细胞介素-6 (Interleukin-6,IL-6) 炎症因子的表达及释放。白细胞介素-6 (IL-6) 是 COVID-19促发“细胞因子风暴”的关键细胞因子。二甲双胍对IL-6的调控促使研究人员继续探究其作用机理。如前面提到，研究人员并没有发现二甲双胍对NF-κB向细胞核转位以及典型NF-κB下游基因的转录调控，即这是不依赖NF-κB通路的对IL-6的表达调控。通过染色质免疫共沉淀 (Chromatin Immunoprecipitation, CHIP) ，研究人员进一步发现二甲双胍是通过对P38/JNK通路的阻断而调控下游转录因子C/EBPβ的入核以减弱IL-6基因表达活性，而这种调控并不依赖于NLRP3炎性小体，而是对IL-6的表达在mRNA转录层面。

　　总的说来，该研究阐述了二甲双胍在抗炎和减轻急性呼吸窘迫综合症（ARDS）中的具体作用机制，讨论了二甲双胍辅助治疗COVID-19的合理性，推测使用二甲双胍有可能预防或抑制 ARDS 发生。当然，二甲双胍对COVID-19肺炎患者的应用价值尚需开展更多临床试验而进一步证实。