二甲双胍通过调控AMPK/NLRP3信号轴缓解肥胖哮喘小鼠气道炎症的机制研究

《Scientific Reports》：Effect of metformin on airway inflammation in obese asthmatic mice and study of the mechanism involved

本研究针对肥胖哮喘患者气道炎症加剧、常规治疗效果不佳的临床难题，探讨了二甲双胍对肥胖哮喘小鼠模型的干预作用及机制。研究发现二甲双胍可通过激活AMPK磷酸化，抑制NLRP3/Caspase-1通路活化，降低IL-1β、IL-18和leptin等炎症因子水平，显著改善气道炎症和病理重塑，为肥胖哮喘的靶向治疗提供了新策略。

　　

哮喘是一种以慢性气道炎症为特征的复杂疾病，而肥胖则会加剧其病理进程并降低常规治疗的疗效。随着全球肥胖和哮喘患病率的持续上升，肥胖相关哮喘已成为一种独特的临床表型，其特点包括气道高反应性增强、对皮质类固醇治疗反应差以及预后不良。因此，探索肥胖相关哮喘的新治疗靶点迫在眉睫。

肥胖相关哮喘的核心在于代谢失调与慢性炎症的相互作用。腺苷酸活化蛋白激酶（AMPK）/NOD样受体热蛋白结构域相关蛋白3（NLRP3）信号轴被认为是连接这两个核心病理机制的关键分子桥梁。AMPK是细胞能量代谢的中心枢纽，其活性在肥胖个体中常常因线粒体功能障碍和瘦素（leptin）水平升高而受到抑制，这不仅直接损害脂质代谢稳态，也解除了对下游炎症信号通路的抑制，从而加剧炎症反应。另一方面，NLRP3炎症小体作为介导炎症反应的核心多蛋白复合物，主要调节半胱天冬酶-1（Caspase-1）的活化以及促炎细胞因子白细胞介素-1β（IL-1β）和白细胞介素-18（IL-18）的成熟与释放，在肥胖和哮喘中均过度激活。近年来的大量研究揭示了AMPK与NLRP3之间存在直接的调控关系。尽管靶向AMPK/NLRP3通路已被证明能有效缓解经典卵清蛋白（OVA）诱导的哮喘模型中的气道炎症，但其在肥胖相关哮喘中的具体作用和调控机制尚不清楚。

二甲双胍（metformin）主要是一种用于治疗2型糖尿病的口服降糖药。近年来的大量证据表明，它通过多种途径对哮喘有效。首先，它能抑制气道炎症，减少炎症细胞浸润。其次，它可能通过调节免疫反应来改善哮喘症状。作为AMPK的经典激活剂，二甲双胍在哮喘中的抗炎作用已被证实。因此，研究人员假设，二甲双胍可能通过激活AMPK，从而调节NLRP3炎症小体的活性，最终改善肥胖相关哮喘的气道炎症和病理损伤。

为了验证这一假设，研究人员开展了一项机制研究，相关成果发表在《Scientific Reports》上。该研究通过结合高脂饮食（HFD）和卵清蛋白（OVA）攻击，成功构建了肥胖哮喘小鼠模型，并探讨了二甲双胍干预的效果及其涉及的AMPK/NLRP3信号通路机制。

研究人员主要应用了以下关键技术方法：使用高脂饮食诱导肥胖和OVA致敏与激发建立肥胖哮喘小鼠模型；通过HE染色评估肺组织病理变化并进行炎症评分；收集支气管肺泡灌洗液（BALF）进行白细胞总数和分类计数（嗜酸性粒细胞、中性粒细胞）；采用蛋白质印迹法（Western blot）检测肺组织中AMPK、磷酸化AMPK（p-AMPK）、NLRP3、Caspase-1的蛋白表达水平；使用酶联免疫吸附试验（ELISA）检测血清中IL-1β、IL-18和leptin的浓度；通过实时定量聚合酶链式反应（QRT-PCR）分析肺组织中AMPK、NLRP3、Caspase-1的mRNA表达水平。

Changes in body weight of mice

高脂饮食喂养的小鼠体重显著高于正常饮食喂养的小鼠（P<0.05）。与对照组和哮喘组相比，肥胖组、肥胖哮喘组和干预组（二甲双胍治疗组）之间的体重差异无统计学意义（P>0.05）。高脂饮食小鼠体重超过正常饮食小鼠体重的20%，表明肥胖模型构建成功。

General conditions of mice

雾化激发后，哮喘组和肥胖哮喘组小鼠出现搔抓鼻子、烦躁不安、打喷嚏等症状，肥胖哮喘组小鼠随后出现尿失禁、点头呼吸等症状；二甲双胍干预组的上述表现轻于哮喘组和肥胖哮喘组；对照组和肥胖组小鼠未出现上述症状。

Alveolar lavage fluid leukocyte count and classification counts

与对照组相比，肥胖组小鼠肺泡灌洗液中白细胞总数和中性粒细胞百分比升高（P<0.05）；哮喘组和肥胖哮喘组小鼠的白细胞总数、嗜酸性粒细胞百分比和中性粒细胞百分比均高于对照组（P<0.05）；与肥胖组和哮喘组相比，肥胖哮喘组小鼠的白细胞总数、嗜酸性粒细胞百分比和中性粒细胞百分比均显著升高（P<0.05）；干预组小鼠的白细胞总数、嗜酸性粒细胞百分比和中性粒细胞百分比均显著低于肥胖哮喘组（P<0.05）。

Histopathologic changes in the lungs of mice

对照组小鼠未见明显炎症细胞浸润，无支气管壁增厚、支气管平滑肌增厚及胶原纤维沉积；哮喘组小鼠可见明显炎症细胞浸润、支气管壁及平滑肌增厚、胶原纤维沉积；肥胖组上述表现较哮喘组轻微；肥胖哮喘组上述改变较哮喘组和肥胖组显著加重；而二甲双胍组的上述病变较肥胖哮喘组显著减轻。

Expression of AMPK, p-AMPK, NLRP3 and Caspase-1 in mouse lung tissue

肥胖组、哮喘组和肥胖哮喘组小鼠肺组织p-AMPK蛋白表达均低于对照组，而NLRP3和Caspase-1蛋白表达均高于对照组（P<0.05）；在肥胖哮喘组中，p-AMPK表达低于肥胖组和哮喘组，NLRP3和Caspase-1表达高于肥胖组和哮喘组（P<0.05）；干预组小鼠肺组织p-AMPK表达显著高于肥胖哮喘组，NLRP3和Caspase-1表达显著低于肥胖哮喘组（P<0.05）。

Serum IL-1β, IL-18, and leptin levels in mice

肥胖组、哮喘组和肥胖哮喘组小鼠血清IL-1β、IL-18和leptin水平均较对照组升高（P<0.05）；肥胖哮喘组小鼠的IL-1β、IL-18和leptin水平显著高于肥胖组和哮喘组（P<0.05）；干预组小鼠的IL-1β、IL-18和leptin水平显著低于肥胖哮喘组（P<0.05）。

AMPK, NLRP3, Caspase-1 mRNA levels in mouse lung tissue

肥胖组、哮喘组和肥胖哮喘组小鼠肺组织中AMPK的mRNA表达低于对照组，而NLRP3和Caspase-1的mRNA表达高于对照组（P<0.05）。在肥胖哮喘组中，AMPK mRNA表达低于肥胖组和哮喘组，NLRP3和Caspase-1 mRNA表达高于肥胖组和哮喘组（P<0.05）。干预组AMPK mRNA表达显著高于肥胖哮喘组，而NLRP3和Caspase-1 mRNA表达显著低于肥胖哮喘组（P<0.05）。

本研究成功构建了肥胖相关哮喘小鼠模型，并探讨了AMPK激活剂二甲双胍的作用以及AMPK/NLRP3信号通路的作用机制。研究结果表明，二甲双胍干预可激活AMPK信号通路，抑制NLRP3炎症小体及其下游效应分子Caspase-1的活化，进而降低促炎细胞因子IL-1β、IL-18和leptin的水平，并改善肥胖哮喘小鼠的气道炎症。

肥胖相关哮喘的气道炎症是代谢紊乱、信号通路异常和细胞因子失衡相互作用的结果。其中，AMPK信号抑制和NLRP3炎症小体激活是一个核心的致病环节。二甲双胍通过激活AMPK，抑制NLRP3/Caspase-1通路及其下游促炎细胞因子的释放，显著改善了肥胖相关哮喘的气道炎症和病理重塑。这项研究不仅更详细地阐述了肥胖相关哮喘的致病机制，而且为开发针对该疾病的AMPK靶向疗法提供了关键的实验依据。尽管存在一些局限性，例如物种差异以及未来需要在高糖饮食模型和更大样本量中进一步验证，但本研究无疑为理解和管理肥胖相关哮喘这一重要临床表型提供了新的见解和潜在的治疗策略。