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近期，同济大学医学院李永勇课题组在期刊Biomaterials（IF:12.8）上在线发表文章Anti-pyroptosis biomimetic nanoplatform loading puerarin for myocardial infarction repair: From drug discovery to drug delivery，该项研究开发了一种递送葛根素的纳米材料（NM@PDA@PU），NM@PDA@PU可以通过抗焦亡治疗心肌梗死。研究发现， NM@PDA@PU不仅能通过NLRP3-CASP1-IL-1β/IL-18信号通路直接抑制心肌细胞焦亡，还能通过重塑炎症微环境，将巨噬细胞重编程为抗炎M2亚型，从而增强抗焦亡效果。总体而言，NM@PDA@PU通过阻断M1型巨噬细胞与焦亡心肌细胞之间的恶性相互作用，从而保护心肌细胞，改善心脏功能，这为治疗心肌梗死提供了新见解。其中CCK-8 Kit由APExBIO提供。

研究背景

心肌梗死（MI）是冠状动脉急性和持续缺血缺氧导致心肌坏死的病症。近期研究强调了以焦亡为中心的多方面病理微环境在心肌梗死后的关键作用，尤其是焦亡、凋亡和巨噬细胞动态之间的复杂联系。然而，单一靶点的焦亡抑制剂往往无法有效抑制这种细胞间的恶性相互作用，导致心肌梗死后抗焦亡治疗的效果不佳。因此，探索更有效的抗焦亡方法对于改善心肌梗死治疗结果至关重要。

研究工作

1 焦亡相关的多条炎症途径在心肌梗死后被激活

为了研究焦亡在心肌梗死（MI）中的作用，作者取MI模型小鼠的心肌组织进行全基因组RNA测序。结果显示与正常组相比，MI组有2846个差异表达基因（DEGs），包括1487个上调基因和1359个下调基因。这些基因的表达变化涉及多种生物学过程，包括炎症反应、细胞死亡和免疫应答。GO富集分析和KEGG通路富集分析进一步揭示这些DEGs主要集中在与焦亡相关的炎症途径。

这暗示着焦亡相关炎症途径可能在MI中发挥关键作用，减轻炎症可能是MI抗焦亡治疗的核心。

2 葛根素在7种中药单体中显示出最强的抗焦亡效果

为了确定抗焦亡最有效的药物，作者从中药配方中挑出了7个临床最常用的中药单体。网络药理学分析显示，葛根素、小檗碱和丹参酮IIA是与心肌梗死和焦亡相关基因交集最多的三种单体。进一步通过细胞实验评估这三种单体对缺氧心肌细胞的保护效果，作者发现葛根素不仅能抑制焦亡相关蛋白的表达，还能减少炎症因子的分泌，显示出最强的抗焦亡效果。于是作者选择葛根素进行后续实验。

3 葛根素可能通过抑制炎症途径与心肌细胞焦亡之间的相互作用来发挥抗焦亡效果

进一步分析葛根素与焦亡后心肌梗死的8个关键靶标之间的相互作用，预测结果显示葛根素很可能能与这些靶标有效结合，从而抑制焦亡相关信号通路的激活。分子对接实验的结果表明，葛根素与NLRP3、CASP1和IL-1β等焦亡相关蛋白的结合亲和力较高，这可能是其抗焦亡效果的分子机制。

以往的研究表明，心肌梗死后各种生物过程是相互联系的，而且不同生物过程的串扰常常影响心肌梗死的治疗。作者对交叉基因进行了GO富集分析，结果显示焦亡、炎症反应和凋亡可能是葛根素发挥作用的重要途经。

综上，网络药理学揭示了葛根素可能通过破坏炎症途径与心肌细胞焦亡之间的相互串扰来有效抑制焦亡。

4 NM@PDA@PU的制备和表征

为了制备可以递送葛根素的纳米材料，作者首先从骨髓中分离得到了中性粒细胞，随后进一步得到了中性粒细胞膜（NM）。利用聚多巴胺（PDA）纳米颗粒和中性粒细胞膜（NM），作者成功制备出了一种递送葛根素（PU）的纳米材料NM@PDA@PU并通过TEM、DLS和Zeta对材料进行了表征。此外，作者还对材料的载药效率和包封效率进行了优化，确定了后续实验使用的PU和PDA的比例为1：2，此时NM@PDA@PU载药率最大。

5 NM@PDA@PU通过抑制焦亡和凋亡保护缺氧心肌细胞

为了探究NM@PDA@PU对于缺氧心肌细胞中焦亡的影响，作者进行了一系列实验，结果显示NM@PDA@PU能有效抑制缺氧心肌细胞中NLRP3、GSDMD-N和Cleaved-caspase 1的表达，并减少炎症因子TNF-α、IL-1β和IL-18的分泌，从而发挥抗焦亡效果。同时，NM@PDA@PU还能减少缺氧心肌细胞的凋亡，这可能与其抑制凋亡相关蛋白的表达有关。

总之， NM@PDA@PU可以有效抑制焦亡和凋亡从而保护缺氧心肌细胞。

6 NM@PDA@PU能促进M2型巨噬细胞的极化

巨噬细胞可以分为M1型和M2型。M1型巨噬细胞具有炎症特性，表达CD80和CD86等标记物，并释放各种炎症因子。相反，M2型巨噬细胞表现出抗炎特性，特征是ARG-1和CD206等标记物，并分泌抗炎因子。作者发现NM@PDA@PU能促进RAW 264.7巨噬细胞向M2型抗炎巨噬细胞的极化，这可能与其抑制炎症因子的分泌和促进抗炎因子的分泌有关。M2型巨噬细胞的极化有助于减轻心肌梗死后的炎症反应，保护心肌细胞。

7 NM@PDA@PU能将巨噬细胞与心肌细胞焦亡之间的恶性相互作用转变为良性相互作用

通过共培养实验，作者发现NM@PDA@PU处理的缺氧心肌细胞的上清液能显著减少RAW 264.7巨噬细胞中M1型巨噬细胞的比例，并增加M2型巨噬细胞的比例。随后，作者探讨了M1型巨噬细胞对缺氧心肌细胞的影响。巨噬细胞用LPS处理24小时以诱导向M1型巨噬细胞的极化，结果显示M1型巨噬细胞在缺氧条件下加剧了心肌细胞的凋亡。

结合之前实验显示NM@PDA@PU可以促进巨噬细胞的M2极化，这表明NM@PDA@PU能够阻断心肌细胞焦亡引起的炎症恶性相互作用，并促进心肌细胞与M2型巨噬细胞之间的良性相互作用。

8 NM@PDA@PU在心肌梗死早期重建炎症微环境

除了体外实验，作者也评估了NM@PDA@PU的体内治疗效果。作者首先评估了NM@PDA@PU的靶向性。荧光成像显示NM@PDA@PU可以聚集在梗死部位。随后作者对小鼠MI模型进行NM@PDA@PU给药，并在不同时间点观察治疗效果。结果与体外实验类似，在MI早期，NM@PDA@PU能有效促进巨噬细胞向M2型极化，减少炎症因子的释放，从而改善心肌梗死后的炎症微环境。这有助于减轻心肌损伤，促进心肌修复。

9 NM@PDA@PU通过抑制焦亡促进心肌细胞存活并在治疗后期促进血管生成

为了评价NM@PDA@PU的长期作用，作者在给药28天后处死小鼠并取组织进行实验。结果显示，在心肌梗死后的后期，NM@PDA@PU能有效减少心肌梗死区域的焦亡相关蛋白表达，并促进血管生成，改善心脏功能。这可能与NM@PDA@PU促进M2型巨噬细胞极化和抑制炎症反应有关。

10 NM@PDA@PU促进心肌细胞的存活和恢复心脏功能

在心肌梗死的晚期，心肌细胞的焦亡和坏死导致释放各种炎症因子（如TNF-α和IL-1β），诱导成纤维细胞转变为肌成纤维细胞。肌成纤维细胞会导致细胞外基质沉积和促进心肌硬化。通过Masson染色和Sirius Red染色，作者发现NM@PDA@PU能减少心肌梗死区域的胶原沉积，改善心脏重构。

此外，通过18F-FDG成像和超声心动图，作者发现NM@PDA@PU能有效保护心肌细胞，减少心肌梗死区域的放射性缺陷面积，并改善心脏功能参数，如左室舒张末期直径（LVDd）、射血分数（EF）和左室收缩末期直径（LVDs）。

11 NM@PDA@PU的生物安全性

作者还对NM@PDA@PU的生物安全性进行了评估。血常规和生化检测结果表明，NM@PDA@PU治疗组与对照组相比，主要器官功能指标无显著差异。组织HE染色结果也未见明显器官损伤。这些结果都表明NM@PDA@PU具有良好的生物安全性。

研究结论

简而言之，本研究开发了一种递送葛根素的纳米材料NM@PDA@PU。NM@PDA@PU可以有效的抑制心肌梗死后的焦亡和炎症反应，从而保护心肌细胞和促进心脏功能的恢复。NM@PDA@PU通过直接抑制焦亡信号通路和重塑炎症微环境，阻断了巨噬细胞与心肌细胞焦亡之间的恶性相互作用，为心肌梗死的临床治疗提供了新的策略。此外，NM@PDA@PU在体内外均显示出良好的生物安全性，为其临床应用提供了可能性。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2024.122890