脉冲电磁场通过膜张力-TRPV4通道-线粒体-NLRP3炎症小体轴抑制动脉粥样硬化中内皮细胞焦亡的新机制

《Signal Transduction and Targeted Therapy》：Pulsed electromagnetic fields inhibit atherosclerosis by regulating pyroptosis through membrane tension-mediated mechanosensitive channels

本研究针对动脉粥样硬化现有治疗策略副作用大、疗效有限的问题，探讨了脉冲电磁场（PEMFs）这一非侵入性物理疗法的治疗潜力。研究人员通过体内外实验证实，PEMFs（15 Hz, 1.5 mT）能够通过调节内皮细胞膜张力，抑制机械敏感性TRPV4通道活性，改善线粒体功能障碍，进而抑制NLRP3炎症小体激活和GSDMD介导的内皮细胞焦亡，最终延缓动脉粥样硬化进展。该研究不仅揭示了一条全新的机械生物学通路，也为PEMFs的临床转化应用提供了理论依据。

　　

在心血管疾病领域，动脉粥样硬化作为核心病理基础，严重威胁人类健康。当前主流的他汀类药物和支架植入术等治疗手段存在明显副作用或疗效有限，迫切需要开发新的治疗策略。动脉粥样硬化本质上是一种慢性炎症性疾病，炎症贯穿疾病全过程。近年来，细胞焦亡——一种炎症相关的程序性细胞死亡方式——在动脉粥样硬化中的作用日益受到关注。其中，NLRP3炎症小体作为焦亡的经典上游调控因子，在疾病发生发展中扮演关键角色。

脉冲电磁场（PEMFs）作为一种非侵入性物理疗法，因其抗炎特性在骨关节炎、类风湿关节炎等慢性疾病治疗中显示出良好效果。前期临床研究表明，PEMFs干预能够降低高血压患者收缩压和舒张压，改善血流介导的血管舒张功能，提示其可能通过改善内皮功能参与血压调节。然而，PEMFs在动脉粥样硬化治疗中的应用仍处于起步阶段，其具体作用机制尚不明确。

发表在《Signal Transduction and Targeted Therapy》的这项研究，首次系统阐明了PEMFs通过调控内皮细胞膜张力-机械敏感性通道-线粒体功能轴，抑制NLRP3炎症小体激活和内皮细胞焦亡，从而延缓动脉粥样硬化进展的分子机制。研究人员发现，在动脉粥样硬化进展过程中，内皮细胞（EC）表现出显著的炎症和焦亡。PEMFs干预能够有效抑制NLRP3炎症小体活化，减少斑块形成。动脉粥样硬化患者血浆蛋白质组学分析进一步显示，与炎症和焦亡相关的蛋白表达水平升高，其中膜蛋白变化尤为显著。

为阐明机制，研究人员证实PEMFs通过调节膜张力和机械敏感性瞬时受体电位香草素4（TRPV4）通道，改善EC线粒体功能障碍，从而减少焦亡。这一发现不仅揭示了新的机械生物学通路，也为开发基于PEMFs的动脉粥样硬化疗法奠定了坚实基础。

研究采用的关键技术方法包括：利用ApoE^-/-小鼠、ApoE^-/-NLRP3^-/-双敲除小鼠构建动脉粥样硬化模型；使用人脐静脉内皮细胞（HUVECs）和人主动脉内皮细胞（HAECs）进行体外机制探讨；对冠心病患者（n=20）和非冠心病对照（n=20）的血浆样本进行蛋白质组学分析；采用原子力显微镜（AFM）分析细胞形态和力学性质；通过膜片钳技术记录TRPV4通道活性；利用Seahorse分析仪检测细胞耗氧率（OCR）评估线粒体功能。

PEMFs抑制动脉粥样硬化斑块形成

研究人员首先在ApoE^-/-小鼠模型中评估了三组PEMF参数（5 Hz/0.5 mT、15 Hz/1.5 mT、30 Hz/3.0 mT），发现15 Hz/1.5 mT参数效果最优，能显著减轻动脉粥样硬化斑块形成，降低血清促炎因子IL-1β和IL-18水平。与高脂饮食（HFD）组相比，PEMFs干预组小鼠主动脉病变负荷减轻、血管通透性降低、主动脉弓斑块面积减小。

PEMFs通过抑制焦亡和炎症延缓疾病进展

PEMFs干预表现出显著抗炎效果，降低血清IL-1β、IL-18、IL-6、MCP-1和TNF-α水平。Western blot分析显示，PEMFs选择性下调NLRP3炎症小体通路蛋白（NLRP3、ASC、p20 caspase-1）及焦亡执行蛋白GSDMD-NT表达。流式细胞术检测发现PEMFs显著减少小鼠血管内皮细胞（MVECs）焦亡。透射电镜显示PEMFs改善EC超微结构损伤。非靶向代谢组学表明PEMFs调节甘油磷脂和胆固醇代谢。

NLRP3是PEMFs发挥作用的关键靶点

通过NLRP3^-/-ApoE^-/-双敲除（DKO）小鼠及药理学干预实验证实，NLRP3缺失几乎完全消除斑块形成，而NLRP3激动剂尼日利亚霉素（nigericin）显著减弱PEMFs保护作用。利用AAV介导的内皮特异性NLRP3敲降进一步证实，内皮NLRP3是PEMFs抗动脉粥样硬化作用的主要细胞靶点。

线粒体功能障碍连接炎症与动脉粥样硬化

蛋白质组学分析显示，冠心病患者线粒体和细胞膜改变是最显著富集的亚细胞定位。实验证实氧化低密度脂蛋白（Ox-LDL）诱导HUVECs严重线粒体功能障碍，而PEMFs干预抑制Ox-LDL诱导的mPTP开放，恢复线粒体膜电位，改善线粒体呼吸功能（基础呼吸、最大呼吸、ATP产生和备用呼吸能力），降低线粒体ROS和细胞超氧阴离子水平，减轻异常钙释放，增强线粒体自噬。

EC膜张力与TRPV4通道参与动脉粥样硬化

原子力显微镜（AFM）显示，HFD组EC形态肿胀变形、排列紊乱、形成脊样结构，主动脉内膜粗糙度和刚度显著增加。PEMFs干预有效改善这些变化。荧光成像显示Ox-LDL显著增加血浆膜张力，PEMFs可减轻此效应。Western blot和免疫荧光证实TRPV4在动脉粥样硬化条件下表达上调，且与CD31共定位，PEMFs干预逆转这一上调。膜片钳实验显示Ox-LDL增强TRPV4通道对激动剂GSK1016790A的敏感性，PEMFs显著降低基础电流水平和峰值电流。

TRPV4调控细胞刚度、线粒体功能和炎症

TRPV4激动剂GSK1016790A有效消除PEMFs有益作用，损害细胞活力，增加LDH释放，促进促炎因子分泌，诱导细胞收缩，增加膜刚度和张力，严重损害线粒体功能，上调NLRP3炎症小体成分表达。相反，TRPV4抑制剂HC067047重现PEMFs的细胞保护、抗炎和线粒体稳定作用。

TRPV4激活加剧动脉粥样硬化

体内实验证实，TRPV4激动剂GSK1016790A有效消除PEMFs保护作用，增加动脉粥样硬化病变负荷、斑块面积和血管通透性，逆转PEMFs介导的促炎因子抑制，上调TRPV4和NLRP3炎症小体成分表达。而TRPV4抑制剂HC067047重现PEMFs有益作用，且与PEMFs联合无叠加效应。

研究结论与讨论部分强调，该研究首次揭示PEMFs通过一条新颖的调控轴发挥抗动脉粥样硬化作用：PEMFs首先调节EC膜张力，下调机械敏感性TRPV4通道，进而修复线粒体功能障碍，抑制NLRP3炎症小体激活及后续GSDMD依赖性焦亡。这一级联反应共同减轻内皮损伤，延缓动脉粥样硬化进展。

该研究的创新性在于将PEMFs的抗炎作用从肌肉骨骼疾病拓展至心血管领域，并深入阐明了其从细胞膜机械感受器到线粒体功能再到炎症小体激活的完整信号通路。特别是发现TRPV4（而非TRPC1）是PEMFs在动脉粥样硬化中的主要机械敏感性靶点，为理解物理因子如何影响细胞内生物学过程提供了新视角。

然而，研究也存在一定局限性，如未系统筛选其他机械敏感分子，干预时长仅3周未能完全模拟人类动脉粥样硬化慢性进程，人类血浆蛋白质组学样本量较小等。未来研究需要通过更多临床前研究探索最佳参数组合，并通过临床试验验证优化参数在动脉粥样硬化患者中的安全性和有效性。

总之，该研究不仅为动脉粥样硬化治疗提供了非药物、非侵入性的新策略，也深化了对机械生物学在心血管疾病中作用机制的理解，为PEMFs的临床转化应用奠定了坚实基础。