重新利用双硫仑与CuET纳米晶体:通过抑制NLRP3炎症小体增强抗焦亡作用以治疗炎症性肠病

Repurposing disulfiram with CuET nanocrystals: Enhancing anti-pyroptotic effect through NLRP3 inflammasome inhibition for treating inflammatory bowel diseases

作者信息Xueming Xu, Yuanfeng Han, Jiali Deng, Shengfeng Wang, Shijie Zhuo, Kai Zhao, Wenhu Zhou
PMID38828135
发布时间2024-06
DOI10.1016/j.apsb.2024.03.003

实验完整度

高

包含细胞实验(原代巨噬细胞、THP-1细胞)、体内动物模型(LPS脓毒症模型、DSS结肠炎模型)及药代动力学和组织分布研究,并进行了机制验证(ASC斑点、免疫沉淀等)。

主要模型

小鼠原代腹腔巨噬细胞 人THP-1细胞 Caco-2细胞单层模型 DSS诱导的结肠炎小鼠模型

重点核对

CuET NCs处理浓度(如2 μmol/L)及处理时间(1 h后更换培养基) LPS和尼日利亚霉素等刺激剂的浓度和刺激时间 DSS诱导结肠炎模型:3% DSS饮水9天,CuET NCs口服给药方案(隔天一次) 药代动力学研究:口服剂量60 mg/kg,采样时间点 体内实验动物品系、性别、周龄(C57BL/6小鼠,6-10周龄,雄性)

摘要

药物再利用为现有药物寻找新的治疗应用提供了一种有价值的策略。近年来,双硫仑(DSF)作为一种主要用于治疗酒精依赖的药物,通过抑制焦亡(一种程序性细胞死亡形式)而成为炎症性疾病的潜在治疗方法。DSF的治疗活性可通过Cu2+的存在进一步增强,尽管这种增强的潜在机制仍不清楚。在本研究中,我们研究了Cu2+诱导增强的机制基础,并发现其归因于一种新型铜乙基硫代氨基甲酸酯(CuET)复合物的形成。与DSF相比,CuET表现出显著更强的抗焦亡活性,并采用了不同的作用机制。然而,尽管其活性强效,但我们的成药性研究表明,CuET存在溶解性差和渗透性有限的缺点。为了克服这些固有局限性,我们开发了一种利用金属配位驱动自组装方法制备CuET纳米晶体(CuET NCs)的可扩展方法。药代动力学研究表明,CuET NCs的生物利用度提高了6倍。值得注意的是,CuET NCs在肠道中表现出高生物分布,提示其治疗炎症性肠病(IBDs)的潜在应用。为了评估其体内治疗效果,我们采用了DSS诱导的结肠炎小鼠模型,观察到CuET NCs有效减轻了炎症并改善了结肠炎症状。我们的发现强调了CuET作为一种强效抗焦亡剂的发现,以及CuET NCs的开发代表了增强CuET成药性的一种新方法。

实验结论

提炼研究问题、关键发现与证据,快速把握文章的核心贡献。

研究问题
Cu2+增强双硫仑抗焦亡作用的机制是什么,以及如何克服CuET的成药性限制以用于炎症性肠病治疗?
核心机制
CuET通过干扰NLRP3与NEK7的相互作用,抑制NLRP3炎症小体组装,从而特异性抑制NLRP3炎症小体介导的焦亡,与DSF通过结合GSDMD阻断孔形成的机制不同。
主要证据
在体外巨噬细胞和THP-1细胞中,CuET NCs特异性抑制NLRP3炎症小体激活(LDH释放、IL-1β分泌减少),免疫荧光和免疫沉淀显示ASC斑点形成和NLRP3-NEK7相互作用被抑制;在DSS结肠炎模型中,CuET NCs减轻体重下降、DAI评分、结肠缩短和病理损伤。
研究意义
该研究阐明CuET抑制NLRP3炎症小体诱导焦亡的作用机制,为NLRP3炎症小体相关疾病提供新的治疗策略,并开发了CuET纳米晶体以改善其成药性,有望用于炎症性肠病和其他焦亡相关疾病的临床转化。

研究路径

按研究推进顺序梳理实验设计、验证步骤与关键观察。

1

验证Cu2+增强DSF抗焦亡作用与CuET生成

探究Cu2+增强DSF抗焦亡作用的机制是否归因于CuET的生成。

用LPS-尼日利亚霉素诱导巨噬细胞焦亡模型,检测不同浓度DSF和DSF/CuCl2组合处理后的LDH释放和IL-1β水平,并通过LC-MS检测细胞内CuET生成。

2

评估CuET的成药性(溶解度和渗透性)

评估CuET作为药物候选的溶解性和渗透性,并确定其BCS分类。

测定CuET在不同溶剂中的平衡溶解度;建立Caco-2细胞单层模型,进行双向转运实验,计算表观渗透系数(Papp)和外排率(ER)。

3

制备并表征CuET纳米晶体(CuET NCs)

制备CuET纳米晶体以改善其溶解性和渗透性,并对其理化性质进行表征。

采用金属配位驱动的自组装方法,将DTC和CuCl2在PVP存在下混合制备CuET NCs,并表征其粒径、Zeta电位、形貌、化学结构、结晶度、胶体稳定性和长期稳定性。

4

验证CuET NCs对NLRP3炎症小体的特异性抑制作用

确定CuET NCs的抗焦亡作用是否特异性针对NLRP3炎症小体。

使用不同炎症小体刺激剂(尼日利亚霉素、ATP、MSU、poly(da:dT)、flagellin、转染LPS)处理巨噬细胞和THP-1细胞,检测LDH释放、IL-1β分泌和GSDMD切割。

5

阐明CuET NCs抑制NLRP3炎症小体组装的机制

探究CuET NCs特异性抑制NLRP3炎症小体的分子机制。

通过免疫荧光检测ASC斑点形成,免疫印迹分析ASC寡聚化,免疫沉淀检测NLRP3-ASC和NLRP3-NEK7相互作用。

6

体内验证CuET NCs的抗炎和抗焦亡作用(LPS急性炎症模型)

评估CuET NCs在LPS诱导的全身性炎症模型中的抗焦亡和抗炎作用。

小鼠腹腔注射LPS诱导脓毒症模型,给予CuET NCs处理后,监测体温、血清IL-1β和IL-6水平,并观察肺和肝脏的组织病理变化。

7

评估CuET NCs的口服药代动力学和组织分布

比较CuET NCs与CuET混悬液(CuET SP)口服给药后的药代动力学并考察组织分布。

SD大鼠口服CuET NCs或CuET SP,测定血浆药物浓度随时间变化,计算AUC、Cmax和Tmax;在特定时间点收集组织,测定CuET浓度。

8

验证CuET NCs对DSS诱导结肠炎的治疗效果

评估CuET NCs对DSS诱导的结肠炎小鼠模型的治疗效果。

给小鼠饮用3% DSS诱导急性结肠炎,口服CuET NCs治疗,记录体重、DAI评分、结肠长度,进行组织病理分析和免疫印迹检测NLRP3、GSDMD和ASC寡聚化。

研究方法

按研究目的归类文中使用的方法,便于定位所需技术。

产品清单

实验环节名称品牌货号
RPMI-1640培养基Gibco--
胎牛血清Gibco--
MEM培养基----
青霉素-链霉素溶液SolarbioP1410
0.25%胰蛋白酶溶液SolarbioT1300
双硫仑Sigma-Aldrich--
二乙基二硫代氨基甲酸酯Sigma-Aldrich228680
羧甲基纤维素钠Sinopharm30036328
噻唑蓝SolarbioM8180
DAPISolarbioC0065
IL-1β抗体R&D SystemsAF-401-NA
NLRP3抗体AdipogenAG-20B-0014
ASC抗体AdipogenAG-25B-0006
Caspase-1抗体Abcamab179515
NEK7抗体Abcamab133514
GSDMD抗体Abcamab209845
β-actin抗体Cell Signaling TechnologyBH10D10
DyLight 488标记二抗InvivoGenA120-100D2
蛋白A/G Plus-琼脂糖Santa Cruzsc-2003
细胞裂解缓冲液Cell Signaling Technology9803
小鼠IL-1β ELISA试剂盒Thermo Fisher88-7013
人IL-1β ELISA试剂盒Thermo FisherBMS22
Zeta电位及粒度分析仪MalvernZS-90
透射电子显微镜FEITitan
紫外-可见分光光度计ShimadzuUV-2600i
傅里叶变换红外光谱仪NicoletAVATAR360
X射线衍射仪PANalyticalEmpyrean
高效液相色谱-质谱系统Agilent1290
Agilent Eclipse Plus C18 RRHD色谱柱Agilent--
高效液相色谱系统Agilent1260
TranswellCorning3460
EVOM2上皮细胞电压电阻仪World Precision Instruments--
荧光分光光度计HITACHIF-2700
圆二色谱仪JascoJ-815
PVDF膜Merck MilliporeISEQ00010
台式匀浆机上海净信JXFSTPRP-48L
TGL20M离心机英泰--
TGL18离心机英泰仪器--
荧光显微镜NikonTi2-U
生物显微镜NikonECLIPSE
彩色数码相机NikonDS-U3

关键环节

汇总复现实验时建议重点确认的条件及原文阅读提示。

环节核对要点
细胞实验
细胞类型(原代巨噬细胞或THP-1细胞)、细胞密度、培养条件(培养基、血清浓度、双抗)、刺激剂浓度和时间、CuET NCs浓度
阅读提示:见Methods 2.2 Cells、2.18 Macrophages inflammasome activation、2.19 THP-1 cell culture and stimulation
CuET NCs制备与表征
DTC/Cu2+摩尔比、PVP浓度、CuCl2滴加速率、反应时间(1 min)、粒径范围(65-150 nm)、产率(>90%)
阅读提示:见Methods 2.6 Preparation and yield of CuET NCs、2.8 Characterization of CuET NCs
溶解度与渗透性实验
溶解度测试条件(溶剂、平衡时间、温度、转速)、Caco-2细胞单层培养时间(18-21天)、TEER值、CuET浓度、转运时间
阅读提示:见Methods 2.11 Sample preparation for equilibrium solubility、2.12 Transport of CuET across Caco-2 cell monolayer
体内药代动力学
动物种类(SD大鼠)、剂量(60 mg/kg)、给药方式(口服)、采样时间点、血浆处理条件(抗凝剂、离心速度、温度)
阅读提示:见Methods 2.16 Sample preparation for HPLC–MS/MS analysis
体内药效实验
LPS诱导脓毒症模型:LPS剂量(20 mg/kg或25 mg/kg)、CuET NCs剂量(1和2 mg/kg)、给药时间(LPS前4 h);DSS诱导结肠炎模型:DSS浓度(3%)、诱导时间(9天)、CuET NCs给药方案(隔天一次)
阅读提示:见Methods 2.23 LPS-induced acute systemic inflammation、2.24 DSS-induced colitis