维A酸通过GTPCH-1/BH4/eNOS耦联通路减轻PM2.5诱导的肺损伤及动脉粥样硬化加速的机制研究

《Nutrients》：Genetic Variants, Lifestyle Factors and Changes in Body Fat Percentage in Young Adults: An Exploratory Prospective Study

　　

背景：呼吸道接触细颗粒物（PM_2.5）包括柴油尾气颗粒（DEPs），是一种与肺部炎症和心血管疾病相关的主要空气污染物。本研究探讨了维A酸（retinoic acid，RA）对PM_2.5诱导的肺损伤和加速动脉粥样硬化的保护作用及其潜在机制。方法：从基因表达综合（Gene Expression Omnibus，GEO）数据库中获得5名非吸烟者和6名慢性阻塞性肺疾病（chronic obstructive pulmonary disease，COPD）患者的肺组织差异表达基因（differentially expressed genes，DEGs），并使用L1000CDS2进行分析，该分析将RA确定为候选治疗化合物。随后使用比较毒物基因组学数据库（Comparative Toxicogenomics Database，CTD）研究肺部和心血管疾病之间的已整理关联，提示内皮型一氧化氮合酶（endothelial nitric oxide synthase，eNOS）/一氧化氮（nitric oxide，NO）信号通路是实验验证的候选机制。ApoE^?/?小鼠通过雾化室暴露于DEP，并口服全反式维A酸（1或5 mg/kg/天）治疗8周。结果：RA显著降低了支气管肺泡灌洗液中C-X-C基序趋化因子配体1/2（CXCL1/2）的水平，并降低了肺组织中Muc5ac、IL-1β、IL-6和TNF-α的表达。RA还降低了血压，改善了血清脂质谱，并减轻了胸主动脉的炎症细胞浸润和动脉壁增厚。在人脐静脉内皮细胞（HUVECs）中，RA显著增加了三磷酸鸟苷（guanosine triphosphate，GTP）环化水解酶-1（GTPCH-1）的表达、eNOS磷酸化、四氢生物蝶呤（BH4）水平和BH4/BH₂比值。结论：这些研究结果表明，GTPCH-1/BH4/eNOS耦联通路的激活有助于RA对DEP诱导的心血管损伤的保护作用。

随着工业化发展，大气细颗粒物（PM_2.5）已成为威胁公众健康的重要环境风险因素。柴油尾气颗粒（DEPs）作为PM_2.5的主要来源，吸入后可诱发氧化应激、肺部炎症和组织损伤。越来越多的证据表明，PM_2.5暴露不仅引起呼吸系统疾病，还可通过全身炎症和内皮功能障碍加速动脉粥样硬化等心血管疾病的发生发展。然而，连接肺损伤与心血管损伤的分子机制尚未完全阐明，临床上亦缺乏有效的干预策略。为此，研究人员采用转录组学与计算药物重定位相结合的策略，筛选具有潜在保护作用的天然化合物，并对其作用机制进行体内外验证。

研究人员从基因表达综合（GEO）数据库中获取GSE106986数据集，该数据集包含5名非吸烟者和6名慢性阻塞性肺疾病（COPD）患者的肺组织转录组数据。通过差异表达基因（DEGs）分析，共筛选出154个DEGs，其中上调基因101个，下调基因53个。将DEG特征输入L1000CDS2搜索工具，根据化学扰动对疾病相关基因表达谱的逆转能力进行排序，最终选定维A酸（RA）作为候选治疗药物。随后利用比较毒物基因组学数据库（CTD）和STRING数据库进行功能富集分析，识别出内皮型一氧化氮合酶（eNOS）/一氧化氮（NO）信号通路为潜在的关键通路。在动物实验中，研究人员使用6周龄雄性C57BL/6野生型小鼠和ApoE基因敲除（ApoE^?/?）小鼠，随机分为5组，每组15只，分别设为野生型对照组、ApoE^?/?溶剂组、ApoE^?/? DEP暴露组、ApoE^?/? DEP+维A酸低剂量（1 mg/kg/天）组和ApoE^?/? DEP+维A酸高剂量（5 mg/kg/天）组。小鼠通过雾化吸入方式暴露于DEP，每天1小时，每周3天，连续8周。此外，在人脐静脉内皮细胞（HUVECs）中采用PM_2.5和TNF-α处理，以评估RA对内皮功能障碍的保护作用。主要检测方法包括ELISA、实时定量PCR（qPCR）、组织病理学染色、透射电镜（TEM）、Western blot以及生物喋呤测定等。

3.1 通过生物信息学分析鉴定维A酸为候选治疗化合物及其潜在机制

研究人员利用GEO数据集GSE106986，以logFC>1.15和logFC
3.2 鉴定一氧化氮相关信号作为连接肺部与心血管疾病的候选通路

CTD查询获得35个肺-心血管疾病相关基因，STRING分析显示32个基因形成显著富集的蛋白互作网络。分子功能富集分析发现一氧化氮合酶活性显著富集；KEGG通路分析显示精氨酸生物合成及精氨酸和脯氨酸代谢显著富集。由此提出eNOS/NO通路为候选机制。

3.3 RA对血压和血脂测量的影响

PM暴露的ApoE^?/?小鼠收缩压进一步升高，尿量和血清肌酐增加。RA处理显著降低血压和血清肌酐水平。PM暴露还导致总胆固醇、甘油三酯、低密度脂蛋白胆固醇和高敏C反应蛋白升高，高密度脂蛋白胆固醇降低，RA处理显著改善上述指标并降低动脉粥样硬化指数。

3.4 RA对支气管肺泡灌洗液中CXCL1和CXCL2水平的影响

PM暴露使支气管肺泡灌洗液（BALF）中白细胞总数和中性粒细胞比例显著增加，同时CXCL1和CXCL2水平升高。RA处理有效降低这两种趋化因子水平，提示RA对肺泡上皮屏障具有保护作用。

3.5 RA对PM诱导肺损伤的影响

RA显著降低肺组织中Muc5ac、CXCL1、CXCL2和IL-1β、IL-6、TNF-α的mRNA表达。组织病理学检查显示，PM暴露引起细支气管周围和血管周围炎性细胞浸润、肺泡间隔增厚及肺泡结构破坏，RA处理明显减轻这些病理改变。

3.6 RA对血管炎症的影响

Western blot结果显示，DEP暴露增加主动脉粘附分子ICAM-1和VCAM-1的表达，并改变Akt和eNOS的磷酸化水平。RA处理可逆转这些异常，并显著增加GTP环化水解酶-1（GTPCH-1）的表达，表明RA通过调节GTPCH-1/Akt/eNOS信号通路抑制血管内皮激活。

3.7 RA对PM诱导血管结构损伤的影响

颈动脉组织学分析显示，PM暴露导致动脉壁厚度显著增加，出现泡沫细胞、迁移平滑肌细胞、胆固醇结晶及坏死物质。RA处理抑制动脉壁增厚，减轻血管结构破坏。TEM进一步显示PM暴露引起内皮细胞损伤和血管壁超微结构异常，RA处理保护了内皮完整性和血管壁结构。

3.8 RA通过恢复eNOS耦联保护PM诱导的内皮功能障碍

在HUVECs中，PM暴露增加ICAM-1和VCAM-1表达，降低Akt/eNOS磷酸化和GTPCH-1水平。RA处理逆转这些变化，并恢复被PM降低的四氢生物蝶呤（BH4）水平及BH4/BH2比值，同时降低二氢生物蝶呤（BH2）水平，提示RA通过维持BH4依赖的eNOS耦联来保护内皮功能。

讨论部分指出，PM_2.5是心血管疾病的独立危险因素，RA能够改善PM暴露引起的全身心血管和代谢异常，减轻肺部与血管的炎症反应，并保护血管结构。机制研究表明，RA通过上调GTPCH-1表达、恢复BH4生物利用度和BH4/BH2平衡，促进eNOS耦联，从而改善内皮功能。然而，研究存在一定局限性，如未设立单独的RA处理组、未采用高脂饮食喂养及未进行油红O染色等，这些因素可能限制了对动脉粥样硬化病变负荷的全面评估。未来需进一步实验和临床研究验证RA的疗效和安全性。

研究结论可翻译为：研究结果表明，RA能够减轻PM诱导的肺部炎症和动脉粥样硬化性血管损伤，改善全身心血管及代谢异常，并减少内皮炎症激活。其血管保护作用可能与调节GTPCH-1/BH4/eNOS/NO信号通路有关。RA有望成为预防PM加速动脉粥样硬化的候选治疗药物。