图1. 文献封面截图

研究背景

2型糖尿病（T2D）的发病机制与代谢器官中持续性低度炎症密切相关，这种被称为"代谢性炎症"（metabolic inflammation）的状态主要由巨噬细胞浸润和失调驱动。通过单细胞RNA测序分析，研究发现T2D患者的脂肪组织和肝脏中存在一种独特的NLRP3⁺炎性代谢激活巨噬细胞亚群，该亚群在肥胖个体中显著富集，并表现出双重病理特征：一方面高表达NLRP3炎性体组分及炎性因子（IL-1β、CCL3等），促进caspase-1活化和IL-1β/IL-18释放；另一方面呈现明显的代谢功能紊乱，包括线粒体氧化磷酸化（OXPHOS）能力下降、脂肪酸转运异常增强以及脂滴过度积累。这种免疫代谢耦合失调形成恶性循环，直接加剧胰岛素抵抗和组织损伤。

尽管代谢物衣康酸（itaconate）被证实可通过抑制NLRP3炎性体组装、调控脂肪酸β-氧化（作为"CoA sink"）和恢复线粒体功能来打破上述循环，但其强极性和跨膜障碍导致直接给药效率极低。现有替代策略如酯化衍生物（如4-OI）无法完全复制衣康酸的多重生物功能，而传统基因递送系统（如脂质体）又面临靶向性不足等问题。这种技术瓶颈使得针对T2D炎症的精准治疗长期停滞在临床前阶段。

为解决上述空白，本研究开发了一种炎症靶向基因治疗纳米囊泡系统（Ma(PB@IRG1)）。该系统由普鲁士蓝（PB）纳米粒包裹IRG1过表达质粒，并修饰巨噬细胞膜制成。

研究材料与方法

技术路线：

与正常组相比，巨噬细胞在糖尿病患者脂肪组织中比例大幅上调，表明巨噬细胞浸润在T2D过程中起关键作用（图A-B）。研究团队进一步将这些巨噬细胞和单核细胞亚群分为五个簇：Mac（01）簇，由标记物IL-1β、NLRP3和CCL3（IM）识别；Mac（02）簇，由标记物SPP1和TREM2（脂质相关巨噬细胞）鉴定；Mac（03）簇，由标记 C1QB和FOLR4（代谢调节的巨噬细胞）鉴定；Mac（04）簇，由标记FABP4、FABP5和CD36（血管周围巨噬细胞）鉴定；和Mac（05） 簇，由标记物HLA-DQB1和HLA-DQA1（单核细胞）鉴定。与其他簇相比，Mac（01）显示出更高的IL-1β、NLRP3和CCL3表达，表明 Mac（01）群体是巨噬细胞的主要导致T2D中AT炎症的亚群（图I，J）。研究团队分析了NLRP3⁺Mac（01）与其他簇之间的差异表达基因（DEGs）。通路富集分析表明，Mac（01）簇不仅富集了典型炎症途径，如MHC II类蛋白，表明单核细胞募集在糖尿病中的作用，而且显着富集了代谢和线粒体途径，包括“线粒体蛋白复合物”、“ATP 代谢过程”、“胆固醇代谢”、“脂滴（LD）”和“呼吸链复合物”（图P）。总的来说，这些结果表明，NLRP3⁺IL-1β⁺巨噬细胞与T2D致病背景下的代谢或线粒体相关功能障碍密切相关。

图3. NLRP3⁺巨噬细胞代谢功能障碍与炎症有关

与单独使用PB相比，涂有细胞膜的PB在透射电子显微镜（TEM）下表现出球形核壳结构，并且每个纳米囊泡都包裹在单层细胞膜中（图C）。纳米囊泡直径从60nm增加到70nm，与巨噬细胞膜双层的添加一致（图D）。此外，纯PB纳米囊泡也可能在消除过量的H₂O₂（图E）方面发挥关键作用，而基因片段加载不影响活性氧（ROS）的消除功效。

图4. 纳米囊泡的合成与表征

研究团队通过建立高脂肪饮食（HFD）诱导的T2D小鼠模型评估了Ma（PB@IRG1）纳米囊泡的治疗效果。HFD诱导的T2D小鼠静脉注射Ma（PB@IRG1）纳米囊泡3周，以评估治疗对T2D相关炎症的影响（图A）。从第1周开始，Ma（PB@IRG1）治疗组小鼠的体重显示出显着变化（图B-C）。随后处死小鼠，解剖代谢器官eWAT，iWAT 和肝脏进行大小比较。与T2D组相比，Ma（PB@IRG1）组的所有三种组织的体积都较小（图D）。此外，Ma（PB@IRG1）组的血糖水平正常化至接近生理范围（图E），而高脂肪食物的膳食摄入量不受影响（图F）。Ma（PB@IRG1）治疗后，IL-1β和IL-18的血浆蛋白水平反映了全身炎症减少（图G-H），表明NLRP3炎症小体和炎症细胞因子释放受到抑制。

图5. 纳米囊泡在T2D 小鼠模型中的治疗效果

与lipo@IRG1（用脂质转染的BMDMs）或Ma（PB@Blank）（用空白质粒转染的BMDM作为对照）相比，Ma（PB@IRG1）转染完全抑制了IL-1β和IL-18释放到BMDM上清液中（图D-E）。此外，纳米囊泡似乎还减少了乳酸脱氢酶（LDH）的释放（图F）。上清液中caspase-1 p10（Casp-1 p10，caspase-1 的自动切割片段）的量也减少（图G），而IL-1β前体（pro-IL-1β）和caspase-1前体（Casp-1 p45）的表达仅受到轻微影响（图G）。此外，发现Ma（PB@IRG1）纳米囊泡对NLRP3蛋白水平有影响（图G）。这些结果表明Ma（PB@IRG1） 抑制NLRP3炎症小体激活。在NLRP3炎性小体激活过程中，含有CARD（ASC）的衔接蛋白凋亡相关斑点样蛋白被NLRP3募集并形成大的多聚体复合物，称为ASC斑点。Ma（PB@IRG1）抑制ASC斑点形成，如蛋白质印迹和共聚焦激光扫描所检测的那样（图H-I）。然而，细胞裂解物中ASC单体的表达没有受到影响（图H）。

图6. 纳米囊泡调节NLRP3炎性小体激活和巨噬细胞极化程度

OXPHOS已成为在这些代谢激活的炎症状态下失调的中枢代谢途径。基础呼吸测量显示，不同组的耗氧率（OCR）反映在OXPHOS的变化中，Ma（PB@IRG1）组增加，LPS⁺PA-BSA组显着降低，而ATP产生没有差异（图E-H）。这可能是由于衣康酸盐能够增强FA氧化，从而为OXPHOS提供更多的底物，并有助于线粒体功能的恢复。

图7. 纳米囊泡恢复线粒体OXPHOS、形态和功能

为了查明所涉及的特定代谢途径，研究团队使用荧光标记的PA-BSA （FITC-PA-BSA）跟踪细胞内FA。Ma（PB@IRG1）组显示出较少的 FA和FITC-PA-BSA与线粒体的强烈共定位（图I）。相比之下，LPS⁺PA-BSA组表现出较强的FITC-PA-BSA表达，出现环状信号并与尼罗河红染色的LD共定位（图J）。这些结果表明，代谢危险信号会导致FA积累，特别是以 LD 的形式。然而，影响FA代谢的确切途径仍不清楚。来自微环境的细胞外 FA 通过转运蛋白转运到细胞，如CD36、FABP和FA转运蛋白（FATP），然后通过长链酰基辅酶A合成酶（ACSL）转化为脂肪酰基辅酶A（FA-CoAs）。FA-CoAs可以储存在LD中，也可以通过肉碱棕榈酰转移酶1（CPT1）转运到线粒体中进行β氧化。所有过程都会影响LD的形成和FA代谢。尽管与Ma（PB@IRG1）组相比，LPS⁺PA-BSA组积累的LD更多，但其机制尚不清楚。qRT-PCR分析显示，Ma（PB@IRG1）调节FA摄取、氧化和 LD 形成，而FA转运基因，FABP4FATP1，在Ma（PB@IRG1）处理后略有下调（图K，L），参与脂质形成的基因（例如DGAT2和SOAT2）也是如此。相比之下，参与脂质生物发生的其他基因（如AGPAT4、PLPP1和GPAT3）的表达差异不显著。 然而，β氧化显着增加，这可能是IRG1过表达的结果（图M-U）。

图8. 纳米囊泡调节LD积累和线粒体β氧化

原文检索：

[1] Lao, A., Li, W., Sun, Y., Cao, Y., Zhuang, Y., Wu, J., Li, D., Lin, K., Mao, J., & Liu, J. (2025). Metabolic and immunomodulatory control of type 2 diabetes via generating cellular itaconate reservoirs by inflammatory-targeting gene-therapy nanovesicles. Trends in biotechnology, S0167-7799(25)00310-5. Advance online publication. https://doi.org/10.1016/j.tibtech.2025.07.025