乏氧介导巨噬细胞糖代谢重编程致易损斑块形成机制及分子影像评价

Excessive inflammation due to over activation of macrophages is one of the important mechanisms of vulnerable plaque. It was reported that hypoxia induced macrophage inflammation via HIF-1⍺, but the regulatory mechanism has not been fully elucidated. Since activated macrophages utilize glycolysis as their main source of energy, we found that the expression of HIF-1⍺ and glycolytic key enzyme GLUT-1 were correlated with the inflammatory cytokine IL-1β in human advanced atherosclerosis, and hypoxia upregulated glycolysis and inflammation in THP-1 macrophages. Hereby, we hypothesize that “glucose metabolic reprogramming mediated by hypoxia modulates pro-inflammatory response in macrophages, subsequently enhances plaque vulnerability”.In this proposal, by using a novel imaging agent 18F-NPFT and 18F-FDG PET/CT to assess hypoxia and glycolysis in vivo, combining with histopathological and molecular biological techniques in vitro, we aim to comprehensively investigate the relationship among hypoxia, glycolysis and plaque vulnerability; then explore the mechanism by which hypoxia-induced glycolysis regulates NLRP3/Caspase-1/IL-1β inflammatory pathway in macrophages; finally provide a novel diagnostic method and preventive and therapeutic avenue for vulnerable plaques.

巨噬细胞过度活化引起炎症反应加重是易损斑块形成的重要机制之一。研究表明，乏氧可激活HIF-1⍺促进巨噬细胞炎症反应，但调控机制未完全阐明。糖酵解是巨噬细胞活化时主要能量途径，课题组前期发现：人进展期AS斑块中HIF-1⍺和糖酵解关键酶GLUT-1表达与炎症因子IL-1β密切相关；低氧刺激下的THP-1巨噬细胞糖酵解增强，炎症反应加重。据此，我们提出“乏氧介导巨噬细胞糖代谢重编程促进炎症反应，进而致易损斑块形成”的科学假设。本项目拟通过自主合成标记的新型显像剂18F-NPFT靶向示踪乏氧、18F-FDG靶向示踪糖酵解进行活体PET/CT显像，结合病理组织学和分子生物学等方法，全面分析AS斑块中乏氧、糖酵解与斑块易损性的关系，探讨乏氧介导的糖酵解如何调控巨噬细胞NLRP3/Caspase-1/IL-1β炎症信号通路的分子机制，为预防和早期治疗易损斑块提供新的诊断方式和治疗靶点。

巨噬细胞过度活化引起炎症反应加重是易损斑块形成的重要机制之一。本项目通过构建新型乏氧显像剂18F-NPFT，结合病理组织学和分子生物学等方法，全面分析AS斑块中乏氧、糖酵解与炎症的关系，探讨乏氧介导的糖酵解如何调控巨噬细胞炎症信号通路的分子机制，为预防和早期治疗动脉粥样硬化提供新的治疗靶点。结果显示：（1）在保持乏氧靶向基团硝基咪唑的前体下，通过改变取代基，引入酯基，以卤原子Br作为离去基团，成功合成酯类硝基咪唑衍生物18F-NPFT，体外细胞结合试验显示18F-NPFT与18F-FMISO在缺氧细胞中的摄取比常氧细胞明显增高。体内生物学分布结果显示18F-NPFT的肿瘤靶/非靶比值明显优于18F-FMISO，但与NPFT分解产物FPA体分布部位类似，乏氧靶向性不确定，因此不能作为理想的AS乏氧显像剂。（2）随后，我们在人颈动脉内膜剥脱术后组织标本中证实AS斑块内乏氧标志物HIF-1α与糖酵解标志物PFKFB3和炎症小体NLRP3的表达部位基本一致，并且主要位于巨噬细胞聚集处；之后我们建立高脂喂养+腹主动脉球囊损伤的兔AS模型行PET/MRI显像，发现AS模型的活体腹主动脉管壁FDG摄取SUVmax值明显高于正常对照组，并且AS组中FDG SUVmax与乏氧标志物pimonidazole含量相关，提示斑块中的糖酵解增高与乏氧密切相关。（3）最后，我们在高脂喂养的ApoE基因敲除小鼠AS模型和小鼠原代骨髓来源巨噬细胞BMDM中，证明了抑制糖酵解可以明显减少主动脉AS斑块形成，减轻主动脉葡萄糖摄取及炎症小体激活，低氧可以促进巨噬细胞糖酵解与炎症反应的发生，而抑制HIF-1α 和PFKFB3可以减少低氧诱导的巨噬细胞糖酵解、 NLRP3/Caspase-1/IL-1b通路的表达，提示HIF-1α/PFKFB3/NLRP3途径可能是AS斑块中巨噬细胞炎症激活的一个重要机制，抑制糖酵解PFKFB3途径有望成为一种新的抗动脉粥样硬化治疗策略，具有良好的临床应用前景。