吕奔团队揭示肝素抑制脓毒症中有害免疫反应的机制

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脓毒症是感染诱发的重症，死亡人数高于前列腺癌、乳腺癌及艾滋病三种疾病的总和。既往学术界的主流观点认为“炎症因子风暴是造成脓毒症死亡的关键因素”。然而，近期国际系列临床研究表明：拮抗炎症因子的治疗措施不能有效降低脓毒症的死亡率和改善患者预后。国际学术界呼吁重新探索脓毒症的致死机理。因此，探索脓毒症致死的关键机制是当前国际重症医学领域的前沿热点，并具有重大的临床价值。中南大学湘雅三医院吕奔教授团队围绕脓毒症的发病机理及靶向干预开展了系列原创性研究，发现了HMGB1-caspase-11途径介导的免疫反应是脓毒症导致弥散性血管内凝血（DIC）、脏器功能衰竭和死亡的关键环节，为脓毒症的诊治提供了潜在的生物标志物和药物干预靶点，发表相关论文于Immunity、Nature Communications、Blood等国际知名学术期刊。

为了初步探讨HMGB1-caspase-11途径是否为脓毒症潜在的药物作用靶标，吕奔教授团队基于前期发现，建立了特色的HMGB1-caspase-11途径抑制剂的筛选平台，寻找选择性抑制caspase-11途径活化的先导分子，发现了肝素（heparin）能高效并选择性的抑制Caspase-11活化，并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。2021年2月，吕奔教授团队将上述发现发表于Cell Press旗下期刊Immunity上，以“Heparin prevents caspase-11-dependent septic lethality independent of anticoagulant properties” 为题。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。

肝素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。正式因为具有抗凝作用，肝素在临床上使用具有出血风险，尤其对于重症患者。该团队在该研究中进一步分离了肝素的抗凝作用和抗炎作用，并发明了用无抗凝活性肝素（non-anticoagulant heparin，化学修饰后的肝素，无出血风险）治疗脓毒症的新方法。与肝素应用不同，增大无抗凝活性肝素的用量对机体凝血反应没有明显影响。但无抗凝活性肝素在脓毒症中同样能高效的阻断Caspase-11介导的免疫反应和致死性作用。

在机制探讨过程中，研究团队发现：肝素不是Caspase-11的直接抑制剂，其作用机制是防止LPS进入细胞浆。小剂量的肝素或非抗凝活性肝素能有效阻断HMGB1蛋白或细菌外膜囊泡介导的LPS入胞，从而抑制Caspase-11活化。申请者随后阐明了肝素抑制LPS入胞的分子机制，鉴定了肝素酶和HMGB1为肝素或非抗凝活性肝素阻断LPS入胞的两个作用靶标（图1）。

图1 肝素抑制LPS胞浆内转运的分子机制

综上，上述研究初步鉴定了HMGB1-caspase-11途径为脓毒症潜在的药物干预靶标，揭示了肝素调节免疫反应的药理学机制，分离了肝素的抗凝作用与抗炎作用，并发明了用无抗凝活性肝素治疗脓毒症的新方法，为脓毒症的防治提供了新的思路。吕奔教授团队长期从事脓毒症等重症发病机理及靶向干预的基础与临床研究，采用重症医学、血液病学、免疫学、病理生理学、药理学、病原微生物学等多学科的理论与方法，建立了特色的重症与凝血病的研究体系，热忱欢迎不同研究领域的博士后、技术员和研究生的加入其团队。

作者专访

Cell Press细胞出版社特别邀请论文通讯作者吕奔教授代表研究团队进行了专访，请他为大家进一步详细解读。

CellPress：非抗凝性肝素是如何生成的？其具体作用是什么？

吕奔教授：普通肝素是一类分子量大小不同的内源性多糖分子的混合体。其中部分多糖分子具有与抗凝血酶等凝血调节蛋白结合的能力，并发挥抗凝作用。而非抗凝肝素是其余组分中不能与抗凝血酶结合且无抗凝活性的多糖分子。非抗凝肝素既可以采用抗凝血酶吸附柱从普通肝素中提取，也可以通过化学修饰使有抗凝活性的肝素多糖分子失去抗凝作用而获得。我们发现：无抗凝活性肝素在脓毒症中同样能高效的阻断Caspase-11介导的免疫反应和致死性作用。

CellPress：Caspase-11是如何激活凝血级联反应并导致脓毒症的致命结果的？

吕奔教授：脓毒症中caspase-11活化后能使其底物GSDMD聚集形成细胞膜钙离子孔道，通过钙离子内流和磷脂翻转酶的作用引起磷脂酰丝氨酸的外翻、组织因子的活化和凝血瀑布式反应，从而造成全身微小血管内广泛血栓栓塞，并最终导致微循环障碍、多脏器衰竭和死亡。

CellPress：本研究如何证明了肝素和NAH均不影响HMGB1和LPS诱导的TNF和IL-6释放？

吕奔教授：既往研究提示肝素能抑制内毒素（LPS）诱导炎症因子（如TNF和IL-6等）的表达。我们发现肝素的这一作用只有当LPS剂量很小的时候才能体现。在致死性的内毒素血症或脓毒症中，肝素对TNF和IL-6等炎症因子的产生几乎无影响，而仅阻断Caspase-11介导的免疫反应。

CellPress：HMGB1如何促进LPS与caspase-11的相互作用？这导致了什么结果？

吕奔教授：在脓毒症中，肝脏细胞释放的HMGB1作为分子伴侣能与血循环中的内毒素（LPS）相结合，并将LPS高效的转运至细胞浆中，从而活化了LPS的细胞浆受体—Caspase-11，引起大量血管内皮细胞和巨噬细胞发生细胞焦亡（Pyroptosis，细胞程序性死亡的一种），最终导致弥散性血管内凝血（DIC）、多脏器功能衰竭和死亡。

CellPress：肝素是如何阻止巨噬细胞糖萼降解的？这导致了什么结果？

吕奔教授：肝素酶在内毒素刺激下或炎症反应中表达增加，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等物质更高效的向胞浆内转运LPS，使得caspase-11的活化显著增强。而肝素或非抗凝活性肝素恰能有效的抑制肝素酶的活性，从而阻止糖萼的降解。

CellPress：本研究还有哪些意外的发现？

吕奔教授：我们在研究中还发现了肝素不是Caspase-11的直接抑制剂，其作用机制是防止LPS进入细胞浆。小剂量的肝素或非抗凝活性肝素能有效阻断HMGB1蛋白或细菌外膜囊泡介导的LPS入胞，从而抑制Caspase-11活化。肝素酶和HMGB1为肝素或非抗凝活性肝素阻断LPS入胞的两个作用靶标。

作者简介

吕奔教授

吕奔，临床医学-免疫学双博士，国家杰青、中国青年科技奖获得者，国家青年973首席科学家，中南大学教授、研究员、主治医生，湖南省“芙蓉学者”特聘教授，现任中南大学医院管理处处长、湘雅医学院副院长，湘雅三医院副院长，从事重症医学与血液病的研究与临床一线工作，在重症与凝血领域取得了原创性研究突破，以通讯作者在Nature、Immunity（3篇）、Blood和Nature Communications等杂志上发表了系列论著，多次被邀请在国内外重要学术会议作主旨或特邀报告，担任中国病理生理学会危重病专委会常务委员、美国休克学会组委会成员（共9人）、湖南省医学会血液病分会青年副主委和Mol Med杂志副主编，获全国青年岗位能手标兵、湖南省“五四青年”奖章等荣誉，主持国家自然科学基金重点项目、国家杰青基金、国家优青基金、国家青年973项目等多项科研课题。

相关论文信息

研究成果发表在Cell Press旗下Immunity期刊上，点击“阅读全文”或扫描下方二维码查看论文。

▌论文标题：

Heparin prevents caspase-11-dependent septic lethality independent of anticoagulant properties

▌论文网址：

https://www.cell.com/immunity/fulltext/S1074-7613(21)00030-3

▌DOI：

https://doi.org/10.1016/j.immuni.2021.01.007

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