同济大学项耀祖教授/复旦大学步文博教授合作揭示巴西苏木素-铈纳米配合物通过靶向IKKβ去/抗磷酸化双重调控策略减轻炎症

炎症反应的过度与多种疾病不良结局有关，包括急性心肌梗死（MI）和脓毒症。NF-κB信号通路调节炎症发展，但现有的磷酸化抑制剂存在靶向性差、有效性有限的问题。此外，这些抑制剂仅能阻止蛋白质的磷酸化，如何去磷酸化已磷酸化的目标蛋白是调控NF-κB信号转导的另一关键因素。因此，寻找低毒性、高特异性、同时抑制蛋白磷酸化和去磷酸化功能的新型抑制剂至关重要，但目前仍面临挑战。

2024年1月5日，来自同济大学生命科学与技术学院附属东方医院的项耀祖教授团队和复旦大学材料科学系的步文博教授团队在Biomaterials发表题为“Brazilin-Ce nanoparticles attenuate inflammation by de/anti-phosphorylation of IKKβ”的论文。该研究以中药苏木中的关键有效成分巴西苏木素为工具药，采用类CRISPR-Cas9的全新磷酸化调控策略（靶向IKKβ的去/抗双重磷酸化调控），通过合成巴西苏木素-铈纳米配合物，显著靶向降低IKKβ蛋白磷酸化水平和脱靶毒性，在体内实现炎症表型转换减轻心血管炎症损伤（图1）。

图1. 巴西苏木素-铈纳米颗粒通过靶向IKKβ去/抗磷酸化双重调控策略减轻炎症

针对这一问题，研究人员首先采用急性炎症模型，从中草药提取物库筛选出苏木及其主要成分巴西苏木素，将其作为一种强有力的抗炎候选药物，并发现其可通过抑制NF-κB信号通路相关蛋白的磷酸化来发挥作用。但是由于其溶解性和稳定性差、细胞膜穿透效率低，导致其药效和生物利用度差、毒性高。研究者通过对巴西苏木素的结构和化学基团进行分析，发现其含有邻二酚羟基，可以与金属离子发生强配位作用，有望通过共沉淀法组装成“中药活性分子-金属离子”纳米颗粒。因此，为了使组装的纳米颗粒在抑制靶蛋白磷酸化的同时具有去磷酸化功能，研究者进一步筛选出具有磷酸酶活性的Ce⁴⁺，通过调控溶剂极性和pH值，成功制备了巴西苏木素-Ce⁴⁺纳米颗粒（BX-Ce NPs），并对其理化性质进行了表征（图2）。BX-Ce NPs纳米颗粒粒径为110 ± 14 nm，载药量高达76.46 %（远高于脂质体等单纯纳米载体）（图2A-C）。同步辐射结果表明：巴西苏木素是通过酚羟基与铈离子发生配位，然后在中性乙醇溶液中经共沉淀组装形成BX-Ce NPs（摩尔比≈2：1）。

图2. BX-Ce NPs颗粒的合成及表征

细胞实验结果表明，BX-Ce NPs表现出更低的细胞毒性（安全浓度窗口提高10倍）（图3A）和更强的抗炎效果（IC₅₀降低3倍）（图3B-C），并且具有显著的缓释作用（起效时间延长3倍）（图3D）。同时发现，相比于游离巴西苏木素，BX-Ce NPs能够更加显著降低LPS诱导的急性炎症反应中 NF-κB 信号通路相关蛋白的磷酸化水平（图3G-3I）。

图3. BX-Ce NPs增效减毒及其抗炎效应

随后，通过CETSA、分子对接以及点突变等实验，研究人员发现，BX-Ce NPs与游离巴西苏木素的作用靶点一致，即IKKβ。它们均通过与IKKβ上Asn225 和Lys428的结合，使其蛋白构象发生改变，并最终实现降低其Ser181位点的磷酸化水平。其中，BX可作为磷酸酶抑制剂降低IKKβ的磷酸化，而Ce⁴⁺可在巴西苏木素的引导下，使已经磷酸化的IKKβ去磷酸化，从而实现目标蛋白的磷酸化双重调控。酶活性检测实验结果表明，相比于巴西苏木素，BX-Ce NPs对IKKβ活性的抑制率提高了1.5倍（图4）。

图4. BX-Ce NPs实现靶向IKKβ的去/抗双重磷酸化调控

最后，研究人员通过冠状动脉左前降支结扎手术建立急性心肌梗死模型，并腹腔注射BX-Ce NPs和巴西苏木素，详细评估了BX-Ce NPs的体内抗炎疗效。实验结果表明，相比于对照组，BX-Ce NPs显著改善了心梗后心脏功能，降低了纤维化水平缓解炎症（图5）。在脓毒症模型中，BX-Ce NPs也展现了明显的抗炎效果，并显著提高了小鼠的生存率（图6）。

图5. BX-Ce NPs改善急性心肌梗死小鼠心肌损伤

图6. BX-Ce NPs在脓毒症小鼠模型中的保护效果

综上所述，通过纳米自组装技术形成中药分子-金属离子纳米配合物BX-Ce NPs，其特殊的结构不仅提高了巴西苏木素抑制IKKβ磷酸化的活性和安全性，还实现了Ce⁴⁺对细胞中IKKβ的靶向去磷酸化，这种“类CRISPR-Cas9”的全新磷酸化调控策略将有望实现蛋白磷酸化过程的双重调控。该工作不仅凸显了中药-金属纳米有机配合物在调控蛋白质修饰方面的独特优势，还为心血管疾病抗炎治疗提供了创新的干预策略。

同济大学生命科学与技术学院/附属东方医院项耀祖教授、复旦大学材料科学系步文博教授、同济大学生命科学与技术学院助理教授陈杨为该论文的通讯作者。同济大学生命科学与技术学院博士研究生李圣萱及海军军医大学第二附属医院的王昆博士后为该论文的共同第一作者。该项工作得到了科技部、国家自然科学基金委、上海市科委等项目的资助。

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S014296122300474X