靶向SIRT5-DUSP1轴的新型川芎嗪纳米递送系统通过线粒体修复对抗阿霉素心脏毒性的机制研究

《Journal of Nanobiotechnology》：A novel ligustrazine-based nanodelivery system protects against doxorubicin-induced cardiotoxicity by targeting the SIRT5–DUSP1 axis for mitochondrial repair

本研究针对阿霉素(DOX)诱导心脏毒性(DIC)临床缺乏有效防治策略的难题，开发了川芎嗪(LIG)纳米递送系统(LIG-Na)。通过整合生物信息学、单细胞测序和转基因动物模型，发现LIG-Na通过激活SIRT5-DUSP1-PHB2S91磷酸化轴，有效改善线粒体质量稳态(MQH)，逆转DOX引起的心功能损伤。该研究为天然药物纳米制剂防治化疗心脏毒性提供了新靶点和治疗策略。

　　

当癌症患者接受高效化疗药物阿霉素(DOX)治疗时，常常面临一个严峻的困境：虽然药物能有效杀伤肿瘤细胞，但会引发剂量依赖性的心脏毒性(DIC)，导致近三分之一癌症幸存者最终死于慢性心力衰竭。这种心脏损伤主要表现为心律失常、心室功能受损和射血分数降低，严重限制了DOX的临床应用。

传统中药川芎中的活性成分川芎嗪(LIG)虽具有明确的心肌保护作用，却因水溶性差、降解快和生物利用度低等问题难以临床应用。面对这一挑战，研究团队创新性地将纳米技术与天然药物相结合，开发出新型LIG纳米递送系统(LIG-Na)，并深入探索其对抗DIC的分子机制。

研究人员首先通过薄膜分散法成功制备了LIG纳米颗粒。透射电镜显示这些颗粒呈均匀球形，动态光散射分析证实其平均流体直径为81.4±0.41纳米，多分散指数为0.23±0.03，表明具有优异的胶体均一性。

通过整合分析多个基因表达数据库(GSE157282、GSE17800、GSE120895等)，团队发现线粒体去酰化酶SIRT5在DIC模型中显著下调。加权基因共表达网络分析(WGCNA)将SIRT5识别为DIC相关的关键模块基因。单细胞测序和空间转录组学进一步揭示了SIRT5、DUSP1(双特异性磷酸酶1)和PHB2(抑制素2)在心肌组织中的表达分布模式。

主要技术方法

研究采用薄膜分散法制备LIG纳米颗粒，通过体内外DIC模型评估药效。利用心超评估心功能，Western blot(WB)和免疫荧光分析蛋白表达，透射电镜观察线粒体超微结构。通过细胞热位移分析(CETSA)和分子对接验证LIG-Na与靶点互作，Co-IP(免疫共沉淀)检测蛋白相互作用。整合分析GEO数据库中5个心肌RNA-seq数据集、1个单细胞数据集和1个空间转录组数据集。使用SIRT5/DUSP1/PHB2条件性敲除和转基因小鼠验证机制。

SIRT5介导阿霉素诱导心肌炎症损伤中的线粒体稳态

研究发现DOX处理显著降低心肌SIRT5表达，导致左室射血分数(LVEF)和短轴缩短率(FS)下降，血清IL-17、IL-10和MMP-9等炎症因子升高。SIRT5转基因干预有效逆转了这些病理变化，改善了心脏功能和线粒体结构完整性。

SIRT5介导阿霉素诱导心肌细胞骨架损伤中的线粒体稳态

细胞实验表明DOX处理显著降低细胞活力，破坏细胞骨架蛋白，而SIRT5过表达可逆转这种损伤。线粒体功能分析显示DOX引起抗氧化酶SOD/GPX活性降低，ATP合成减少，膜电位崩溃，SIRT5过表达能恢复线粒体能量代谢稳态。

LIG-Na通过SIRT5介导的氧化应激改善阿霉素诱导的心肌炎症损伤

LIG-Na治疗显著上调SIRT5表达，减轻心肌炎症和氧化应激。高剂量LIG-Na(100μmol/L)能有效抑制NLRP3炎症小体活化，降低Caspase-1/8表达，改善线粒体自噬标志物TOM20/LC3共定位。这些保护效应在SIRT5敲除后完全消失。

LIG-Na通过SIRT5介导的线粒体稳态改善阿霉素诱导的心肌焦亡

LIG-Na通过SIRT5依赖性机制增强线粒体能量代谢，恢复呼吸链复合物活性，稳定线粒体膜电位。Seahorse分析显示LIG-Na显著改善DOX引起的ATP合成障碍，这种保护作用在SIRT5敲除后丧失。

LIG-Na通过DUSP1-PHB2介导的线粒体稳态改善阿霉素诱导的心肌焦亡

研究发现LIG-Na通过DUSP1-PHB2轴调节线粒体质量控制。DOX抑制PHB2 Ser91位点磷酸化，破坏线粒体动力学平衡。LIG-Na干预恢复PHB2磷酸化水平，改善线粒体融合/分裂平衡，这些效应在PHB2/DUSP1敲除后消失。

LIG-Na通过SIRT5调控的DUSP1-PHB2介导线粒体稳态抑制阿霉素诱导的心肌焦亡

Co-IP实验证实SIRT5、DUSP1和PHB2之间存在直接相互作用。分子对接显示三者结合能良好，形成稳定的调控轴。DUSP1转基因改善心功能，而SIRT5敲除或3MA(自噬抑制剂)处理取消这种保护作用。

研究结论与意义

该研究系统阐明了DIC中线粒体质量稳态失调的新机制：DOX激活SIRT5通路，抑制DUSP1表达，破坏PHB2 Ser91位点磷酸化，进而扰乱线粒体质量稳态，放大NLRP3炎症小体介导的焦亡。LIG-Na通过抑制SIRT5过度激活，恢复PHB2-Ser91生理磷酸化模式，重建线粒体质量稳态协调性。

这项发表于《Journal of Nanobiotechnology》的研究具有重要转化价值：首次揭示SIRT5-DUSP1-PHB2轴在DIC中的核心调控作用，开发出高效LIG纳米制剂，为天然药物防治化疗心脏毒性提供了新策略。研究整合多组学分析、纳米技术和基因编辑等前沿手段，为中药现代化研究和纳米药物开发提供了范例，对解决临床化疗相关性心肌损伤这一难题具有重要指导意义。