肺糖萼的酶促調節(jié)增強了對肺炎鏈球菌的易感性

很高興與大家分享幾個月前發(fā)表于American Journal of Respiratory Cell and Molecular Biology的文章。該論文基于Emulate器官芯片技術在體外構建肺芯片模型，用于探索肺糖萼中的糖胺聚糖（如透明質酸和硫酸乙酰肝素）在細菌性肺炎中的作用。在宿主-病原體相互作用的背景下，進一步研究 GAG 脫落和重塑的機制，也為傳染病研究和呼吸醫(yī)學發(fā)展提供寶貴的意見。

摘要

肺上皮糖萼富含糖胺聚糖（GAG），如透明質酸和硫酸乙酰肝素。盡管這些糖胺聚糖廣泛存在于肺部，但其在細菌性肺部感染中的具體作用仍不明確。為此，我們通過鼻內接種肺炎鏈球菌（Streptococcus pneumoniae）的小鼠模型，聯合使用靶向透明質酸或硫酸乙酰肝素的酶，研究其對疾病病理、肺部炎癥和肺屏障功能障礙的影響。

透明質酸和硫酸乙酰肝素的酶促降解加重了小鼠的肺炎癥狀，表現為疾病評分升高和肺泡中性粒細胞募集增加。此外，靶向透明質酸與肺炎鏈球菌感染相結合進一步加劇了全身性疾病，表現為脾臟細菌負荷和促炎細胞因子血漿濃度升高。

相反，硫酸乙酰肝素的酶解導致感染肺炎鏈球菌的小鼠支氣管肺泡細菌負擔增加、肺損傷和肺部炎癥。肝素酶處理的小鼠還表現出肺屏障完整性破壞，具體表現為如肺泡水腫評分升高和血管蛋白滲漏至氣道。

這一發(fā)現在Emulate人肺泡芯片模型中得到進一步驗證，證實肝素酶處理在肺炎鏈球菌感染期間同樣也會破壞人肺屏障。值得注意的是，透明質酸酶或肝素酶預處理使人上皮細胞對肺炎鏈球菌誘導的屏障破壞更敏感（通過跨上皮電阻測量證實），與小鼠模型結果一致。綜上，完整的透明質酸和硫酸乙酰肝素對限制肺炎鏈球菌誘導的肺損傷、炎癥反應及上皮屏障功能至關重要。

主要亮點

1：研究人員通過一種傳統(tǒng)動物模型和靜態(tài)細胞培養(yǎng)無法實現的方式，成功復制了人類肺泡毛細血管界面。這些見解為呼吸健康提供了新的視角，為改變肺炎治療的療法提供了可能。

2：肺上皮糖萼中的透明質酸和硫酸乙酰肝素是防御肺炎鏈球菌感染的重要屏障，其完整性直接影響疾病嚴重程度。肝素酶通過增強中性粒細胞趨化因子（如CXCL1、IL-17A）的釋放，促進炎癥反應。

糖萼破壞加速上皮屏障功能喪失（通過跨膜電阻和肺泡芯片模型驗證）。

1：上皮 GAG 的酶促靶向作用會加重肺炎球菌性肺炎

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小鼠通過鼻內接種肺炎鏈球菌（S. pn.）或PBS（作為對照），同時聯合透明質酸酶（Hyaluronidase, Hya）或肝素酶（Heparinase, Hep）處理。

48小時后，分析疾病進程。結果顯示，與單純感染組（S. pn. + PBS）相比，Hya和Hep處理組的小鼠體溫顯著下降（36 hpi），體重減輕更為明顯，且肝素酶組的生存率最低。

進一步分析發(fā)現，肝素酶組的肺炎評分最高（圖1E），表現為肺泡彌漫性損傷，化膿性肺炎。H&E染色結果顯示，肝素酶組小鼠的肺泡內存在大量中性粒細胞浸潤，同時伴有明顯的肺泡結構破壞（圖1F）。

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通過分析BAL（支氣管肺泡灌洗液）、肺組織、血液和脾臟中的細菌負荷（CFU計數），并通過觀察免疫組化觀察肺內細菌分布。經過酶處理的小鼠的血管周圍空間中都發(fā)現有大量游離細菌。只有肝素酶處理的小鼠在支氣管內和肺泡內空間中才有大量游離細菌（圖2E）。

2：酶促靶向上皮 GAG 后中性粒細胞募集和炎癥增強

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通過流式細胞術分析了BAL中CD45+白細胞、中性粒細胞（PMNs）以及Ly6Chi炎性巨噬細胞的比例，并通過ELISA檢測了BAL中IL-17A、CXCL1和CXCL5的水平。

結果顯示，肝素酶處理組的中性粒細胞數量顯著增加，占CD45+細胞的70%以上（圖3B, D）。同時，肝素酶組的IL-17A、CXCL1和CXCL5水平均顯著升高，與中性粒細胞募集呈正相關（圖3H-J）。相比之下，透明質酸酶處理組的Ly6Chi炎性巨噬細胞比例顯著降低（圖3C）。

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通過觀察量化BAL中IL-6、IL-1β、TNF-α、IFN-γ、CCL2濃度，酶促降解糖萼可增強促炎介質的釋放。

3：鏈球菌性肺炎介導糖萼脫落并改變脫落的硫酸肝素的硫酸化模式

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在小鼠實驗中，肺炎球菌感染和肝素酶經過處理后，肝素二糖會脫落并重塑。

4：上皮糖萼破壞會加劇感染引發(fā)的上皮肺屏障損傷

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通過測定BAL總蛋白濃度，組織病理學評分評估血管周圍和肺泡水腫，發(fā)現H&E染色觀察肺泡出血。與其他組相比，肺炎鏈球菌感染與肝素酶處理相結合導致最嚴重的水腫、炎癥和組織損傷。此外，只有肝素酶處理與肺炎鏈球菌感染相結合才導致肺泡內出血（圖6D）。

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通過跨上皮電阻（TEER）評估人類原代肺泡上皮細胞（HPAEC）在透明質酸酶（Hya）或肝素酶（Hep）處理后，再進行肺炎鏈球菌感染或模擬感染（PBS對照）后的屏障功能所有受到細菌刺激的細胞都表現出抵抗力水平的降低，這表明隨著時間的推移，屏障功能喪失，并逐漸喪失活力，而酶預處理則加速這一過程（圖7A和7B）。

使用人類肺泡芯片模型，確定單獨使用肝素酶處理會導致表觀通透性略有增加；然而，與肺炎鏈球菌感染相結合，表觀通透性水平與對照組相比顯著增加（圖7C），肺泡芯片的免疫熒光分析表明，肺炎鏈球菌感染期間的肝素酶處理會導致上皮損傷和緊密連接標志物丟失，而內皮基本保持完整（圖7D）。

綜上所述，研究得出結論，體外糖萼的酶促破壞會導致上皮屏障通透性的快速變化，從而加速肺炎鏈球菌誘導的細胞毒性，而在體內，加劇的病理可能是肺屏障破壞、細菌生長增強和促炎介質共同作用的結果。

5：小結

肺部的糖萼是一種薄薄的保護層，在抵御感染方面起著至關重要的作用。柏林大學醫(yī)學院的研究人員利用肺泡肺芯片研究糖萼分解如何導致肺炎鏈球菌引起的細菌性肺炎。研究結果表明，糖萼成分（如透明質酸和硫酸肝素）的酶促降解會加劇細菌負荷、炎癥和組織損傷。

該研究還強調了保持糖萼完整性的潛在治療目標，這可以減輕肺損傷并防止全身疾病進展。通過利用肺芯片技術，研究小組以傳統(tǒng)動物模型和靜態(tài)細胞培養(yǎng)無法做到的方式成功復制了人類肺泡毛細血管界面。這些見解為呼吸健康提供了新的視角，這使得人們能夠更好地了解與人類相關的疾病機制，并為潛在的治療干預措施提供了依據。從而可能帶來更有效的治療方法。

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