PNAS：基于实时单颗粒旋转微流变分析的巨噬细胞泡沫化分期与抗动脉粥样硬化研究

动脉粥样硬化疾病是全球范围内最重要的致命疾病之一。巨噬细胞泡沫化是动脉粥样硬化疾病的病理学标志，在动脉粥样斑块的形成和不稳定斑块的演变中发挥着至关重要的作用。巨噬细胞可借助多种清道夫受体，实现各种氧化修饰脂蛋白（如氧化低密度脂蛋白等）的吞噬。然而，这些修饰脂蛋白难以完全降解，在巨噬细胞溶酶体内逐渐积聚，引发溶酶体贮积障碍和细胞功能紊乱，从而推动巨噬细胞泡沫化的进程和动脉粥样斑块的演变。近年来，研究人员利用各种生物学技术揭示了巨噬细胞泡沫化病变进程中脂质代谢紊乱、信号通路和炎症反应的分子机制和生物学后果。这些研究为我们理解巨噬细胞泡沫化的病理进程和分子特征提供了关键信息，极大地推动了动脉粥样硬化疾病治疗策略的发展。然而，由于存在溶酶体内氧化脂质积聚过程复杂、动态分析难度大等挑战，巨噬细胞泡沫化的动态演变及其潜在的调控机制仍然未被完全揭示。

针对上述挑战，湖南大学分子成像中心张晓兵和熊斌团队以牛血清蛋白功能化修饰的金纳米棒为探针，开发了基于面外偏振成像的实时单颗粒微流变分析技术，为活细胞中溶酶体贮积紊乱病变的动态测量提供了新工具（图1）。与传统单颗粒正交偏振成像分析方法相比，该方法无需借助复杂的双折射晶体，在进行动态单颗粒成像时不易产生散射像斑的重叠，因而能够实现大量光学探针的实时观测。由于面外偏振成像所采集的信号不易受较平面内探针扰动的干扰，该技术在存在样本侧向移动干扰时仍然能够对探针的旋转行为进行准确分析，因而能够满足活细胞中溶酶体内表观粘度准确测量的需求。

图1. 基于面外偏振成像的实时单颗粒微流变分析

采用实时单颗粒微流变分析技术，对巨噬细胞溶酶体内氧化脂质异常积聚引发的表观粘度变化进行了动态测量。通过测量活细胞内溶酶体的表观粘度变化曲线，发现巨噬细胞泡沫化的演变进程可以分为具有不同氧化脂质积聚速度的三个病理阶段（即早期、中期和晚期）。早期阶段溶酶体内氧化脂质积聚速率较慢，中期阶段溶酶体内氧化脂质积聚速度加剧，而晚期阶段溶酶体内氧化脂质的积聚趋于饱和（图2）。结合实时单颗粒微流变分析与分子生物学分析工具，揭示了巨噬细胞泡沫化进程中期的加速演变与NLRP3炎性小体介导的正反馈调控密切相关（图3）。在巨噬细胞泡沫化的早期阶段，溶酶体内逐渐产生氧化脂质的积聚；当进入中期阶段后，氧化脂质的积聚产生溶酶体损伤和活性氧上升，激活细胞内NLRP3炎性小体信号通路，而NLRP3炎性小体的激活反过来引起氧化脂蛋白受体表达的上调，从而加速巨噬细胞对氧化脂蛋白的摄取和溶酶体内氧化脂质的沉积；在后期阶段巨噬细胞转变为富含脂质的泡沫细胞，NLRP3炎症小体过度激活，并伴随着细胞内过高的氧化应激压力。

图2.巨噬细胞泡沫化进程的动态监测与分期分析

图3. 巨噬细胞泡沫化进程相关的分子特征和正反馈调控

此外，利用单颗粒微流变分析法，证实了NLRP3炎症小体介导的正反馈调控可以作为巨噬细胞泡沫病变进程的一个通用有效的干预靶点。与中后期阶段的药物干预相比，在正反馈调控激活前进行药物时疗效更佳，这表明NLRP3炎症小体靶向药物的干预效果具有高度的病理阶段依赖性（图4）。这一工作不仅有助于深入理解巨噬细胞泡沫化的病理进展及其潜在调控机制，还能为临床前研究中动脉粥样硬化疾病早期治疗策略的开发提供参考依据。

图4. 巨噬细胞泡沫化病理进程的药物干预与药效分析

这一成果近期发表在Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 上，文章的通讯作者是湖南大学张晓兵教授与熊斌副教授，第一作者是湖南大学博士生尚瑾慧与马原博士。该工作得到了国家自然科学基金（22274043, 22374040，21874039）、国家重点研发计划（2019YFA0210100）和省部共建秦药特色资源研究开发国家重点实验室（培育）开放课题的资助。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Single–particle rotational microrheology enables pathological staging of macrophage foaming and antiatherosclerotic studies

Jinhui Shang, Yuan Ma, Xixuan Liu, Shijie Sun, Xiayun Pang, Rui Zhou, Shuangyan Huan, Yan He, Bin Xiong, Xiao-Bing Zhang

PNAS, 2024, DOI: 10.1073/pnas.2403740121

导师介绍

张晓兵

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