“神药”二甲双胍对空气污染引起的动脉血栓形成有潜在治疗作用

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长期暴露在城市大气颗粒物中，会诱导肺泡巨噬细胞释放包括白细胞介素6（IL-6）在内的促炎细胞因子，导致动脉血栓形成和早期死亡。

大气颗粒物污染是公众关注的主要健康问题。在发达国家，平均PM2.5水平每下降10mg/m3，居民寿命将延长0.8年，暴露于PM会增加全因死亡率7%【1】，在发展中国家，大量的城市居民和极高的PM水平将进一步加剧空气污染暴露对健康的影响【2】。城市PM空气污染物是由灰尘或碳组成的内核，在化石燃料燃烧时有机分子和金属会冷凝在内核表面上构成外壳。这是区别城市空气污染物与沙漠灰尘、火山灰和木烟的特征【3】。

为了适应在尘土飞扬或烟雾弥漫的环境中的生活，哺乳动物已经进化出有效机制来清除空气污染颗粒。肺泡巨噬细胞和粘液纤毛能有效地从肺部清除碳基纳米材料从而避免发生炎症反应【4】。既往研究表明，城市空气污染物会引起有机体释放IL-6等促炎细胞因子。暴露在PM中的IL-6缺陷小鼠，会引起肺泡巨噬细胞产生的IL-6进入血液循环会启动肝脏凝血因子的转录，增加动脉血栓形成和中风的风险。近期，这个动物模型的关键研究结果由中国的一项随机双盲实验验证。这临床研究证实，较高的PM可引起与下丘脑-垂体-肾上腺和交感神经-肾上腺-髓质轴的激活，从而引起机体代谢稳态的改变；净化后的空气可以降低短期应力激素的释放【5】。而暴露子在低风险PM污染物中的IL-6缺陷小鼠，血液中IL-6浓度也会相应降低，进一步降低动脉血栓形成的风险。

近日，美国西北大学肺与危重症医学系主任Scott Budinger教授团队最新发表在Cell Metabolism中的一项题为Metformin Targets Mitochondrial Electron Transport to Reduce Air-Pollution-Induced Thrombosis的研究报告了降糖药二甲双胍在小鼠模型中的治疗作用。该研究表明，二甲双胍可抑制暴露在PM中小鼠或人肺泡巨噬细胞的复合物Ⅲ线粒体活性氧（ROS）的产生，ROS是打开钙释放激活通道(CRAC，calcium release-activated channels )和释放IL-6所必需的；靶向敲除小鼠肺泡巨噬细胞电子传递链或CRAC通道基因，则可以抑制PM导致的动脉血栓形成。这些发现证实二甲双胍可以作为预防空气PM引发的心血管疾病的潜在治疗药物。

研究人员首先通过动物实验证实二甲双胍能够预防PM引起的动脉血栓形成。在小鼠暴露在PM2.5 CAPs（8h/d，连续3天）之前给予小鼠100mg/kg/d二甲双胍。二甲双胍将氯化铁所致损伤（缺血性中风模型）后PM诱导的颈动脉闭塞时间缩短到与净化空气中小鼠接近的水平。此外，二甲双胍还抑制肺泡巨噬细胞释放IL-6。之后，研究人员用质谱法或比色法，发现给予二甲双胍之后，小鼠肺泡巨噬细胞中NAD+/NADH比值比值显著下降，证实二甲双胍能够抑制肺泡巨噬细胞电子传递和线粒体ROS生成。

为了确定二甲双胍是否通过影响线粒体电子传递链的复合体I发挥抑制线粒体ROS生成的作用，研究人员用装载了NDI1的慢病毒载体转染肺泡巨噬细胞株（MHS），该细胞系可以将电子从NADH到泛醌池而不产生ROS，且对二甲双胍不敏感。与对照组相比，表达NDI1的细胞对二甲双胍诱导的基础耗氧率（OCR）的抑制、PM诱导的线粒体ROS生成增加和IL-6的产生有抵抗力。

氧化剂对PM的快速反应促使研究人员开始研究胞内钙的变化。当原代肺泡巨噬细胞灌注无钙培养基并用PM处理时，我们观察到胞浆钙小幅增加，提示内质网钙储存减少。随后灌注钙填充培养基，胞浆钙显著增加。而二甲双胍能够抑制了这两种反应。

随后研究人员通过实验证实PM暴露导致钙释放激活通道（CRAC）开放和下游线粒体ROS生成，而敲除线粒体电子传递可以抑制PM引起的IL-6释放，进一步敲除肺泡巨噬细胞中ORAI1基因可以抑制PM引起的IL-6释放。以上数据表明，PM诱导线粒体ROS的产生，通过激活CRAC增加IL-6释放。为了证实这些发现在人类中的潜在重要性，研究人员测量了用二甲双胍和/或Synta-66治疗后从健康供体获得的原代人肺泡巨噬细胞线粒体ROS生成和钙水平，发现二甲双胍同样可以阻止PM引起的人巨噬细胞ROS生成、CRAC激活以及IL-6生成。

本研究对大气污染中有效进行心血管疾病预防、降低疾病风险有重要意义。研究人员发现二甲双胍阻止PM诱导的人肺泡巨噬细胞释放IL-6，这一发现支持了高危人群中二甲双胍的类似试验，特别是考虑到二甲双胍的价格低廉和安全可靠。此外，二甲双胍减少PM诱导的IL-6释放的可部分解释二甲双胍使用与降低2型糖尿病患者CRP水平和心血管风险之间的关系。与此假设一致的是，IL-6和CRP均被确定为缺血性心血管疾病发展的独立危险因素，最近的随机临床试验发现IL-1b抑制剂能够抑制血浆IL-6和CRP水平，降低心血管风险。

此外，二甲双胍能持续激活蛋白质稳定基因和抑制炎症的意外发现可能解释了给予二甲双胍的小鼠中一些针对衰老相关疾病表型的保护作用，并向推广二甲双胍的使用来减少衰老相关疾病表型发生提供了更充足的证据。

参考文献

1. Di, Q., Wang, Y., Zanobetti, A., Wang, Y., Koutrakis, P., Choirat, C., Dominici, F., and Schwartz, J.D. (2017). Air pollution and mortality in the Medicare population.N. Engl. J. Med.376, 2513–2522.

2. Pope, C.A., III, Ezzati, M., and Dockery, D.W. (2009). Fine-particulate air pollution and life expectancy in the United States.N. Engl. J. Med.360, 376–386.

3. Nel, A. (2005). Atmosphere. Air pollution-related illness: effects of particles.Science308, 804–806.

4. Duch, M.C., Budinger, G.R.S., Liang, Y.T., Soberanes, S., Urich, D., Chiarella, S.E., Campochiaro, L.A., Gonzalez, A., Chandel, N.S., Hersam, M.C., et al. (2011). Minimizing oxidation and stable nanoscale dispersion improves the biocompatibility of graphene in the lung.Nano Lett.11, 5201–5207.

5. Li, H., Cai, J., Chen, R., Zhao, Z., Ying, Z., Wang, L., Chen, J., Hao, K., Kinney, P.L., Chen, H., et al. (2017). Particulate matter exposure and stress hormone levels: a randomized, double-blind, crossover trial of air purification.Circulation136, 618–627