精氨酸酶1通过线粒体嵴重塑和PANoptosis驱动缺血/缺氧诱导的血管功能障碍机制及纳米靶向治疗研究

本研究针对缺血/缺氧损伤导致的血管功能障碍这一临床难题，揭示了精氨酸酶1(Arg1)通过调控线粒体嵴结构蛋白Mic10、介导VDAC1乳酰化修饰，触发mtDNA释放并激活cGAS-STING通路诱导血管平滑肌细胞PANoptosis的新机制。团队开发的VSMCs靶向纳米颗粒NP-siArg1可有效改善血管功能，为缺血性疾病提供了新型治疗策略。

　　

缺血/缺氧性损伤导致的血管功能障碍是创伤性休克、脓毒症等危重症患者预后不良的关键因素。尽管已知血管平滑肌细胞(VSMCs)对血管活性物质反应性降低是主要表现，但传统理论难以解释线粒体结构异常与血管功能障碍的关联。更棘手的是，现有靶向治疗效果有限，亟需从亚细胞层面揭示新机制。线粒体作为能量工厂，其嵴结构变化与功能紊乱密切相关，但缺血/缺氧如何通过调控线粒体嵴影响VSMCs功能仍属未知。此外，近年发现的PANoptosis（兼具凋亡、焦亡和坏死性凋亡特征的细胞死亡形式）是否参与此过程也未见报道。

陆军军医大学的研究团队通过大鼠缺血模型和缺氧VSMCs模型，结合多组学分析和纳米靶向技术，首次阐明精氨酸酶1(Arg1)通过线粒体嵴重塑-PANoptosis轴导致血管功能障碍的分子机制，并开发出特异性干预策略。这项突破性成果发表于《Signal Transduction and Targeted Therapy》。

研究采用的主要技术包括：建立大鼠缺血模型和缺氧VSMCs模型；透射电镜和Hessian-SIM超分辨显微镜观察线粒体嵴形态；全血转录组分析(GSE64711数据集)和单细胞测序筛选关键分子；分子动力学模拟分析蛋白互作；质谱鉴定VDAC1乳酰化位点；构建VSMCs靶向纳米颗粒PLGA-PEI-siRNA@PM-α-SMA(NP-siArg1)。

【研究结果】

1. 线粒体嵴损伤与缺血/缺氧诱导的血管功能障碍相关
   通过离体血管环实验和活体显微观察，发现缺血大鼠肠系膜动脉对去甲肾上腺素(NE)反应性显著降低。透射电镜显示缺氧VSMCs线粒体嵴结构紊乱、嵴频率降低，伴随ATP生成减少、ROS增加和mtDNA释放增多，提示线粒体结构与功能异常是血管功能障碍的重要特征。

2. Arg1干预改善血管功能和线粒体嵴结构
   整合GSE64711数据库和单细胞测序数据，Arg1是唯一在缺血VSMCs中显著上调的基因。通过构建Arg1条件性敲除小鼠和AAV介导的基因沉默大鼠模型，证实Arg1缺失可恢复血管收缩反应和肠道血流。体外实验显示siArg1处理能改善线粒体嵴结构、抑制mtDNA释放，且该作用不依赖其酶活性（尿素补充实验未逆转保护效应）。

3. Arg1与Mic10互作导致Mic10构象改变
   免疫共沉淀-质谱鉴定出Arg1与线粒体嵴组织系统(MICOS)关键组分Mic10存在相互作用。分子对接显示Arg1的Glu42(E42)位点与Mic10结合最强。分子动力学模拟证实Arg1结合会抑制Mic10同源寡聚化（氢键分析显示Arg1-Mic10复合物中两个Mic10单体间无氢键形成），破坏线粒体嵴结构稳定性。

4. Arg1 E42A突变逆转线粒体嵴紊乱
   构建E42A点突变体发现，该突变显著减弱Arg1-Mic10结合，使缺氧VSMCs线粒体嵴频率增加1.8倍，同时改善OCR和线粒体膜电位。值得注意的是，该突变不影响Arg1酶活性，进一步证实其调控作用独立于经典代谢功能。

5. Arg1上调与VDAC1乳酰化共同导致mtDNA释放
   发现Arg1通过促进mPTP开放介导mtDNA释放，而质谱鉴定出VDAC1第224位赖氨酸(K224)乳酰化是缺氧诱导的关键修饰。VDAC1 K224R突变可抑制mtDNA释放，且能拮抗Arg1过表达的促释放效应。机制上，Arg1通过加剧线粒体功能障碍增加乳酸生成，形成"线粒体-核"正反馈损伤环路。

6. mtDNA释放通过cGAS-STING通路触发PANoptosis
   缺氧VSMCs中mtDNA激活cGAS-STING信号，上调Cleaved-Caspase-3、GSDMD-N和p-MLKL等标志物，呈现典型的PANoptosis特征。STING激动剂可抵消Arg1敲除的保护作用，证实该通路的枢纽地位。流式检测显示Arg1干预使细胞凋亡率从34.7%降至12.3%。

7. 乳酸通过上调H3K18la促进Arg1表达
   ChIP-qPCR揭示缺氧4小时后H3K18la在Arg1启动子区富集增加3.2倍。乳酸脱氢酶抑制剂Oxamate处理可降低H3K18la修饰和Arg1表达，证实"乳酸-H3K18la-Arg1"表观遗传调控轴的存在。

8. VSMCs靶向纳米颗粒NP-siArg1的治疗效果
   构建的纳米颗粒具有VSMCs特异性靶向能力（内皮细胞摄取率仅为VSMCs的17%），在缺血大鼠中使血管收缩反应恢复至正常的89%，显著优于传统AAV载体。透射电镜证实其能有效保护线粒体嵴结构，抑制PANoptosis相关蛋白表达。

这项研究首次描绘出"乳酸-H3K18la-Arg1-Mic10-线粒体嵴紊乱-mtDNA-cGAS-STING-PANoptosis"的完整信号轴，突破性地揭示Arg1非经典功能（独立于尿素循环）在血管功能障碍中的核心作用。创新性发现包括：Arg1-Mic10互作界面（E42位点）的鉴定、VDAC1 K224乳酰化的功能阐明、以及线粒体嵴重塑与PANoptosis的因果关系。所开发的NP-siArg1实现细胞特异性干预，为临床转化提供新思路。该研究不仅为缺血性疾病提供新的治疗靶点，也为理解细胞器间通讯（线粒体-核对话）提供了范式。未来可进一步探索Arg1在不同细胞类型（如内皮细胞）中的差异作用，以及与其他代谢通路（如HIF1α）的交互调控。