Immunity | 吕奔团队揭示肝素抑制有害免疫反应的机制

责编丨兮

脓毒症是感染诱发的严重并发症，定义为感染诱发的有害免疫反应引起的危及生命的多器官功能障碍。脓毒症起病急，病情重，是住院病人死亡的主要原因之一。其死亡率高于前列腺癌、乳腺癌及艾滋病三种疾病的总和。全世界每年出现2500 万脓毒症病例，800 万人因此失去生命。脓毒症致死的机制仍不甚清楚；国际上对脓毒症的治疗至今没有取得根本性突破。因此，深入研究脓毒症发病的分子机制具有重要意义。

2018年，吕奔课题组研究发现：在脓毒症中，肝细胞释放的HMGB1蛋白作为分子伴侣能将血循环中的内毒素（LPS）转运至细胞浆中，从而活化了LPS的细胞浆受体—Caspase-11并造成脏器衰竭和死亡（详见BioArt报道：Immunity丨吕奔组揭示脓毒症休克和多脏器衰竭发生的重要病理生理机制）【1】。2019年，该团队发现：Caspase-11的过度活化在急性移植物抗宿主病中也能引起脏器损伤和死亡【2】。随后，课题组进一步阐明了脓毒症中Caspase-11过度活化导致脏器衰竭和死亡的重要机理—弥散性血管内凝血（DIC）（详见BioArt报道：Immunity | 吕奔团队解密细菌感染诱发凝血反应的机制；Blood | 吕奔团队揭示脓毒症诱发弥散性血管内凝血的机制）【3,4】。后者表现为全身微小血管内的广泛血栓形成。

基于上述发现，2021年2月8日，由中南大学湘雅三医院吕奔教授团队在Immunity上以“Heparin prevents caspase-11-dependent septic lethality independent of anticoagulant properties” 为题，阐述了肝素在脓毒症中能通过抑制Caspase-11的活化防止脏器损伤、DIC发生和死亡，为今后脓毒症的防治提供了新的思路。

肝素（Heparin, Hep）是哺乳动物内源性的多糖分子，也是临床上常用的抗凝药物。吕奔教授团队在筛选HMGB1-Caspase-11途径抑制剂的过程中，发现了肝素能高效且有选择性的抑制Caspase-11的活化。在内毒素血症和脓毒症（结肠结扎穿孔模型）中，小剂量肝素的应用能有效阻断Caspase-11介导的免疫反应、脏器损伤和死亡，而对Caspase-11非依赖的炎症因子（如TNF, IL-6等）的释放无明显影响。

通过使用化学修饰后失去抗凝作用的无抗凝活性肝素（non-anticoagulant heparin, NAH）, 该团队在研究中进一步分离了肝素的抗凝作用和抗炎作用。与肝素（Hep）相比，增大无抗凝活性肝素（NAH）的用量对凝血指标APTT与TT没有明显影响）。但NAH在内毒素血症和脓毒症模型中能同样高效的阻断Caspase-11介导的免疫反应、脏器损伤、DIC形成和死亡。

在随后的机制探讨过程中，该团队发现：肝素不是caspase-11的直接抑制剂，却能有效防止内毒素（LPS）进入细胞浆。过去的研究发现高迁移率蛋白-1（HMGB1）或细菌外膜囊泡（OMVs）能将LPS高效转运至细胞内，从而导致caspase-11的过度活化。HMGB1或OMVs介导的LPS胞浆内转运能被小剂量的肝素（Hep）或非抗凝活性肝素（NAH）阻断。邻位连接实验（PLA）显示：肝素（Hep）或非抗凝活性肝素（NAH）能防止caspase-11对LPS的识别，再次验证了肝素对LPS胞浆内转运的抑制作用。

接着，该团队在细胞和分子水平探讨了肝素抑制LPS胞浆内转运的机制，发现肝素（Hep）或非抗凝活性肝素（NAH）主要通过肝素酶（Heparanase）和高迁移率蛋白-1（HMGB1）两个作用靶标来阻断LPS的胞浆内转运（下图）。肝素酶在炎症反应中表达上调，能降解细胞膜外侧的糖萼（又称“多糖包被”）。糖萼的降解能使HMGB1或细菌外膜囊泡（OMVs）更高效的向胞浆内转运LPS，使得caspase-11的活化显著增强。而肝素（Hep）或非抗凝活性肝素（NAH）恰能有效的抑制肝素酶的活性，从而阻止糖萼的降解（图5）。此外，肝素（Hep）或非抗凝活性肝素（NAH）还能与HMGB1高亲和力的结合，并竞争性的抑制HMGB1与LPS的相互作用（下图）。

肝素抑制LPS胞浆内转运的分子机制

综上所述，该研究发现了肝素调节免疫反应的作用靶标，分离了其抗凝与抗炎作用，揭示了肝素或非抗凝活性肝素在脓毒症中的保护作用及药理学机制，并为脓毒症的防治提供了新的思路。

唐怡庭副教授为该论文的第一作者；吕奔教授为该论文的通讯作者。

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1074761321000303

制版人：琪酱

参考文献

[1] Deng M, Tang Y, Li W, et al. The endotoxin delivery protein HMGB1 mediates caspase-11-dependent lethality in sepsis [J]. Immunity, 2018, 49(4): 740-753.

[2] Lu YY, Meng R, Wang XY, Xu YJ, Tang YT, Wu JF, Xue QQ, Yu SL, Duan MW, Shan DY, Wang QD, Wang HC, Billiar TR, Xiao XZ, Chen FP, Lu B*，Caspase-11 signaling enhances graft-versus-host disease [J]. Nature Communications, 2019, 10(1): 4044.

[3] Yang X, Cheng X, Tang Y, et al. Bacterial Endotoxin Activates the Coagulation Cascade through Gasdermin D-Dependent Phosphatidylserine Exposure [J]. Immunity, 2019, 51(6): 983-996.

[4] Yang X, Cheng X, Tang Y, Qiu X, Wang Z, Fu G, Wu J, Kang H, Wang J, Wang H, Chen F, Xiao X, Billiar TR, Lu B. The role of type 1 interferons in coagulation induced by gram-negative bacteria [J]. Blood. 2020, 135(14): 1087-1100.