DOI: https://doi.org/10.3892/mmr.2024.13185
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38391117
تاريخ النشر: 2024-02-20
المؤلف: Xinying Yuan وآخرون
الموضوع الرئيسي: التسمم الكبدي الناتج عن المخدرات والحماية
نظرة عامة
تبحث الدراسة في دور إنزيم NLRP3 في إصابة الكبد الحادة الناتجة عن الأسيتامينوفين (aPaP)، وهو سبب رئيسي لفشل الكبد الحاد الناتج عن الأدوية في الدول الغربية. تستخدم الدراسة منهجيات متنوعة، بما في ذلك التحليل النسيجي، الكيمياء المناعية، التحليل الغربي، RT-qPCR، وELISA، لتقييم التعبير عن علامات الالتهاب الرئيسية وتفعيل مسار الإشارة NLRP3/GSMD في خلايا الكبد. تكشف النتائج أن جرعة زائدة من aPaP تنشط NLRP3 وتسبب انقسام الغازدرمين D (GSDMD)، مما يؤدي إلى نخر خلايا الكبد وزيادة إصابة الكبد.
من الجدير بالذكر أن الفئران التي تم فيها حذف NLRP3 بشكل محدد في خلايا الكبد أظهرت تلفًا أقل في الكبد ومعدل وفيات أقل بعد التعرض لـ aPaP، بالإضافة إلى انخفاض في تسلل الخلايا الالتهابية واستجابة التهابية أقل حدة. كما أن تثبيط المسار NLRP3/GSDMD باستخدام MCC950 أو ديسلفيرام خفف من إصابة الكبد وانخفضت وفيات خلايا الكبد. تستنتج الدراسة أن استهداف NLRP3 قد يقدم استراتيجية علاجية واعدة لتخفيف إصابة الكبد الحادة الناتجة عن aPaP من خلال تقليل النخر وتعزيز تكاثر خلايا الكبد.
مقدمة
تتناول مقدمة ورقة البحث إصابة الكبد الناتجة عن الأدوية (DILI)، مع التركيز بشكل خاص على جرعة زائدة من الأسيتامينوفين (APAP)، والذي يعد سببًا رئيسيًا لفشل الكبد الحاد (ALF) في الدول المتقدمة. المستقلب السام N-acetyl-p-benzoquinone imide (NAPQI)، الذي يتم إنتاجه خلال استقلاب APAP، يستنفد الجلوتاثيون الكبدي، مما يؤدي إلى نخر خلايا الكبد وموت الخلايا. N-acetylcysteine هو العلاج المعتمد الوحيد لجرعة زائدة من APAP، لكن فعاليته محدودة من خلال نافذة علاجية ضيقة وآثار جانبية محتملة. يتم تقسيم التقدم المرضي لإصابة الكبد الناتجة عن APAP (AILI) إلى ثلاث مراحل: بدء الإصابة، التقدم، والتعافي، والتي تشمل الإجهاد التأكسدي، الالتهاب، وتكاثر خلايا الكبد التعويضي.
يتم تسليط الضوء على دور إنزيم NLRP3 في AILI، مشيرًا إلى أن تفعيله يؤدي إلى النخر وإطلاق السيتوكينات الالتهابية مثل IL-1β وIL-18. بينما أثبتت الدراسات السابقة وجود صلة بين تفعيل NLRP3 والنخر في أمراض الكبد المختلفة، لا يزال دوره المحدد في جرعة زائدة من APAP غير واضح. تشير النتائج الحديثة إلى أن النخر يحدث في AILI من خلال انقسام الكاسبيز-1 وتفعيل الغازدرمين D (GSDMD) في خلايا الكبد وخلايا كوفبر. ومع ذلك، يتم مناقشة ضرورة تفعيل NLRP3 في إصابة الكبد الناتجة عن APAP. تهدف هذه الدراسة إلى التحقيق بشكل أكبر في مشاركة إنزيم NLRP3 في AILI وتقييم الإمكانات العلاجية لتثبيط NLRP3 وGSDMD في نماذج حية ومخبرية.
الطرق
تحدد قسم “المواد والطرق” تصميم التجربة والإجراءات المستخدمة في الدراسة. يوضح المواد المستخدمة، بما في ذلك الكواشف المحددة، المعدات، وأي عينات بيولوجية، مما يضمن إمكانية تكرار التجارب. تشمل المنهجية البروتوكولات لجمع البيانات، بما في ذلك أي تحليلات إحصائية تم إجراؤها لتفسير النتائج.
بالإضافة إلى ذلك، قد يصف القسم الظروف التجريبية، مثل درجة الحرارة، المدة، وأي ضوابط تم تنفيذها للتحقق من النتائج. بشكل عام، يخدم هذا القسم لتوفير إطار شامل لفهم كيفية إجراء البحث والأسس التي تم بناء عليها الاستنتاجات المستخلصة.
النتائج
تظهر نتائج الدراسة أن جرعة زائدة من الأسيتامينوفين (APAP) تنشط إنزيم NLRP3 في خلايا الكبد، سواء في النماذج الحية أو المخبرية. في نموذج الفأر لإصابة الكبد الناتجة عن APAP، الذي يتميز بحقنة واحدة داخل البطن بجرعة 300 ملغ/كغ من APAP، لوحظت نخر كبدي كبير وزيادة في مستويات الألانين أمينوترانسفيراز (ALT) والأسبارتات أمينوترانسفيراز (AST) في المصل. كشفت تحليلات الكيمياء المناعية (IHC) والتحليل الغربي عن زيادة في التعبير عن NLRP3، الكاسبيز-1، IL-1β، والغازدرمين D (GSDMD) في أكباد الفئران المعالجة بـ APAP مقارنةً بالمجموعة الضابطة. بالإضافة إلى ذلك، كانت مستويات السيتوكينات الالتهابية IL-1β وIL-18 مرتفعة، مما يشير إلى تفعيل NLRP3.
لاستكشاف دور NLRP3 في سمية الكبد الناتجة عن APAP بشكل أكبر، تم إنتاج فئران ناقصة NLRP3 (Nlrp3 Δhep). أظهرت اختبارات البقاء أن هذه الفئران كانت لديها معدلات وفيات أقل بشكل ملحوظ بعد جرعة قاتلة من APAP مقارنة بالفئران الضابطة. علاوة على ذلك، أشارت تقييمات تلف الكبد إلى انخفاض مستويات ALT وAST، بالإضافة إلى انخفاض النخر وصبغة TUNEL الإيجابية في فئران Nlrp3 Δhep. بشكل جماعي، تشير هذه النتائج إلى أن تفعيل NLRP3 أمر حاسم لنخر خلايا الكبد الناتج عن APAP وأن نقصه يوفر حماية ضد إصابة الكبد، مما يحسن نتائج البقاء.
المناقشة
تبحث الدراسة في دور إنزيم NLRP3 في إصابة الكبد الناتجة عن الأسيتامينوفين (APAP) باستخدام نماذج فئران متنوعة، بما في ذلك C57BL/6، Nlrp3 fl/fl، وفئران knockout المحددة لخلايا الكبد Nlrp3 (Nlrp3 Δhep). تكشف النتائج أن نقص NLRP3 في خلايا الكبد يقلل بشكل كبير من التهاب الكبد وإصابته بعد جرعة زائدة من APAP. على وجه التحديد، أظهرت فئران Nlrp3 Δhep انخفاضًا في تسلل العدلات والبلعميات، ومستويات أقل من السيتوكينات الالتهابية (مثل TNF-α وIL-6)، ونخر كبد أقل مقارنة بفئران Nlrp3 fl/fl. علاوة على ذلك، أدى تثبيط المسارات NLRP3 وGSDMD باستخدام Mcc950 وديسلفيرام (DSF) أيضًا إلى تقليل تلف الكبد وتحسين معدلات البقاء، مما يشير إلى أن استهداف هذه المسارات يمكن أن يكون استراتيجية علاجية لـ AILI.
بالإضافة إلى ذلك، تسلط الدراسة الضوء على أهمية تجديد الكبد في الوقت المناسب في التعافي من AILI. أظهرت فئران Nlrp3 Δhep زيادة في تكاثر خلايا الكبد، كما يتضح من زيادة التعبير عن علامات التكاثر مثل PCNA وCyclin D1، مما يشير إلى أن نقص NLRP3 قد يعزز آليات إصلاح الكبد. تشير النتائج بشكل جماعي إلى أن النخر الذي يتوسطه NLRP3 يلعب دورًا حاسمًا في مسببات AILI، حيث أن تثبيطه لا يقلل فقط من الالتهاب ولكن يعزز أيضًا بقاء خلايا الكبد وتجديدها. توفر هذه الرؤى فهمًا أعمق للعمليات الالتهابية المعنية في AILI وتقترح طرق علاجية محتملة لإدارة سمية الأسيتامينوفين.
DOI: https://doi.org/10.3892/mmr.2024.13185
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38391117
Publication Date: 2024-02-20
Author(s): Xinying Yuan et al.
Primary Topic: Drug-Induced Hepatotoxicity and Protection
Overview
The research investigates the role of the NLRP3 inflammasome in acetaminophen (aPaP)-induced acute liver injury, a leading cause of drug-induced acute liver failure in Western countries. The study employs various methodologies, including histopathological analysis, immunohistochemistry, Western blotting, RT-qPCR, and ELISA, to assess the expression of key inflammatory markers and the activation of the NLRP3/GSMD signaling pathway in hepatocytes. Findings reveal that aPaP overdose activates NLRP3 and induces gasdermin D (GSDMD) cleavage, leading to hepatocyte pyroptosis and exacerbated liver injury.
Notably, mice with hepatocyte-specific knockout of NLRP3 demonstrated reduced liver damage and mortality following aPaP exposure, alongside diminished inflammatory cell infiltration and a less severe inflammatory response. Pharmacological inhibition of the NLRP3/GSDMD pathway using MCC950 or disulfiram further alleviated liver injury and decreased hepatocyte death. The study concludes that targeting NLRP3 may offer a promising therapeutic strategy for mitigating aPaP-induced acute liver injury by reducing pyroptosis and promoting hepatocyte proliferation.
Introduction
The introduction of the research paper addresses drug-induced liver injury (DILI), particularly focusing on acetaminophen (APAP) overdose, which is a leading cause of acute liver failure (ALF) in developed countries. The toxic metabolite N-acetyl-p-benzoquinone imide (NAPQI), produced during APAP metabolism, depletes hepatic glutathione, leading to hepatocyte necrosis and apoptosis. N-acetylcysteine is the only approved treatment for APAP overdose, but its efficacy is limited by a narrow therapeutic window and potential side effects. The pathological progression of APAP-induced liver injury (AILI) is delineated into three stages: injury initiation, progression, and recovery, involving oxidative stress, inflammation, and compensatory hepatocellular proliferation.
The role of the NLR family pyrin domain containing 3 (NLRP3) inflammasome in AILI is highlighted, noting its activation leads to pyroptosis and the release of pro-inflammatory cytokines such as IL-1β and IL-18. While previous studies have established a connection between NLRP3 activation and pyroptosis in various liver diseases, its specific role in APAP overdose remains unclear. Recent findings indicate that pyroptosis occurs in AILI through caspase-1 cleavage and gasdermin D (GSDMD) activation in hepatocytes and Kupffer cells. However, the necessity of NLRP3 activation in APAP-induced liver injury is debated. This study aims to further investigate the involvement of the NLRP3 inflammasome in AILI and evaluate the therapeutic potential of inhibiting NLRP3 and GSDMD in both in vivo and in vitro models.
Methods
The “Materials and Methods” section outlines the experimental design and procedures employed in the study. It details the materials used, including specific reagents, equipment, and any biological samples, ensuring reproducibility of the experiments. The methodology encompasses the protocols for data collection, including any statistical analyses performed to interpret the results.
Additionally, the section may describe the experimental conditions, such as temperature, duration, and any controls implemented to validate the findings. Overall, this section serves to provide a comprehensive framework for understanding how the research was conducted and the basis for the conclusions drawn.
Results
The results of the study demonstrate that acetaminophen (APAP) overdose activates the NLRP3 inflammasome in hepatocytes, both in vivo and in vitro. In a mouse model of APAP-induced liver injury, characterized by a single intraperitoneal injection of 300 mg/kg APAP, significant hepatic necrosis and elevated serum alanine aminotransferase (ALT) and aspartate aminotransferase (AST) levels were observed. Immunohistochemistry (IHC) and Western blot analyses revealed increased expression of NLRP3, caspase-1, IL-1β, and gasdermin D (GSDMD) in the livers of APAP-treated mice compared to controls. Additionally, serum levels of pro-inflammatory cytokines IL-1β and IL-18 were elevated, indicating NLRP3 activation.
To further explore the role of NLRP3 in APAP-induced hepatotoxicity, NLRP3-deficient mice (Nlrp3 Δhep) were generated. Survival assays showed that these mice exhibited significantly lower mortality rates following a lethal dose of APAP compared to control mice. Furthermore, assessments of liver damage indicated reduced ALT and AST levels, as well as decreased necrosis and TUNEL-positive staining in Nlrp3 Δhep mice. Collectively, these findings suggest that NLRP3 activation is critical for APAP-induced hepatocyte pyroptosis and that its deficiency confers protection against liver injury, thereby improving survival outcomes.
Discussion
The study investigates the role of the NLRP3 inflammasome in acetaminophen (APAP)-induced liver injury (AILI) using various mouse models, including C57BL/6, Nlrp3 fl/fl, and hepatocyte-specific Nlrp3 knockout (Nlrp3 Δhep) mice. The findings reveal that NLRP3 deficiency in hepatocytes significantly mitigates liver inflammation and injury following APAP overdose. Specifically, Nlrp3 Δhep mice exhibited reduced infiltration of neutrophils and macrophages, lower levels of pro-inflammatory cytokines (such as TNF-α and IL-6), and diminished liver necrosis compared to Nlrp3 fl/fl mice. Furthermore, pharmacological inhibition of NLRP3 and GSDMD pathways using Mcc950 and disulfiram (DSF) also resulted in decreased liver damage and improved survival rates, suggesting that targeting these pathways could be a therapeutic strategy for AILI.
Additionally, the study highlights the importance of timely liver regeneration in recovery from AILI. Nlrp3 Δhep mice showed increased proliferation of hepatocytes, as evidenced by higher expression of proliferative markers such as PCNA and Cyclin D1, indicating that NLRP3 deficiency may enhance liver repair mechanisms. The results collectively suggest that NLRP3-mediated pyroptosis plays a critical role in the pathogenesis of AILI, where its inhibition not only reduces inflammation but also promotes hepatocyte survival and regeneration. These insights provide a deeper understanding of the inflammatory processes involved in AILI and propose potential therapeutic avenues for managing acetaminophen toxicity.