脂多糖 (LPS) 在炎癥造模中的應用
LPS 何方神圣？在體內如何誘發(fā)炎癥反應？
如何選擇 LPS 構建"合拍"的炎癥疾病模型？
來來來，一起了解下！
Section.01
LPS 與炎癥發(fā)生
噓，可不要小瞧了它！脂多糖 (Lipopolysaccharide；LPS) ，是由脂質和多糖組成的大分子，廣泛存在于革蘭氏陰性菌細胞壁中，又被稱為內毒素，它可是具有強烈的促炎性質[1]。
LPS 結構
LPS 是由脂質 A、核心多糖和 O-特異性抗原組成。包含這三個組分的為光滑型 S-LPS，缺乏 O 抗原的則被稱為粗糙型 R-LPS，或脂寡糖 (LOS)[2]。
圖 1. LPS 的經典結構[2]。• 脂質 A：LPS 的脂質部分，嵌在細菌外膜的磷脂層中，是內毒素的主要毒性成分。不同革蘭氏陰性菌的脂質 A 結構具有一定差異，但在同一菌株中結構基本相同。脂質 A 的任何結構變化都可能改變 LPS 的免疫效力并決定其毒性。此外，脂質 A 對于宿主受體的特異性識別非常重要，能夠刺激宿主的免疫反應[2]。
• 特異性抗原：由多個寡糖重復單位組成，位于 LPS 的最外層，是 LPS 中變化最大的部分。O-特異性抗原的糖殘基種類、長度、排列順序和連接方式具有菌株特異性，決定了細菌的抗原特異性[2]。根據 O 抗原的差異可將大腸桿菌分為不同的血清群，如 O55、O111 等。
• 核心多糖：連接了 O-特異性抗原和脂質 A。由庚糖、半乳糖等組成，結構相對保守[2]。
LPS 誘導炎癥反應
LPS 與 TLR4
TLR4：Toll 樣受體 4，可在單核細胞、巨噬細胞和樹突細胞等髓樣細胞中表達，是重要的細胞表面模式識別受體，負責啟動和維持宿主的炎癥反應[2]。
LPS 主要通過其經典受體 Toll 樣受體 4 (TLR4) 誘導強烈的炎癥反應。LPS 進入宿主體內，會與 LPS 結合蛋白 (LBP) 結合，然后進一步與細胞膜上的 CD14 (CD14 是很多免疫細胞的 GPI 錨定膜蛋白) 結合，形成 CD14-LPS 復合物。這一結合過程促使 LPS 與 TLR4-MD2 復合物相互作用，進而激活細胞內的信號通路[2][3]。
圖 2. LPS 作用機制[2]。
細胞內 LPS/TLR4 下游信號傳導主要分為兩類，MyD88 依賴性通路和 TRIF 依賴性通路。它們分別介導促炎細胞因子和 I 型干擾素基因的激活[2][4]。
• 在 MyD88 依賴性通路中：活化的 MyD88 可募集并激活 IRAK4、IRAK1 和 IRAK2，接著與 TRAF6 發(fā)生相互作用。進一步激活 TAK1-TAB1 復合物，刺激 IKKα/IKKβ 復合物，然后誘導 NF-κB 等轉錄因子核轉位，啟動炎癥細胞因子基因的轉錄，促使細胞釋放如 IL-1β、IL - 6、TNF-α 等多種炎癥細胞因子。
• 在 TRIF 介導 MyD88 非依賴性通路中：TRIF 通過招募 TRAF3 可激活 IRF3，然后，IRF3 與 IRF7 形成同源或異源二聚體，進而轉錄 IFN 和 IFN 誘導型基因，誘導 IFN-α 和 IFN-β 釋放。同時，TRIF 也可以通過招募 TRAF6 激活 NF-κB。此外，除了經典的 LBP-CD14-TLR4 途徑外，LPS 還可以通過 Caspase 途徑和 TRP 通道等激活免疫細胞。
總之，上述因素都可以促進炎癥信號并引起免疫反應。
Section.02
LPS: 炎癥造模好幫手
通過前面的介紹，我們了解了 LPS 的定義以及它如何通過復雜的信號通路激活細胞內的炎癥反應。鑒于 LPS 具備強大的促炎特性，這使其成為我們構建誘導炎癥模型的得力助手！
首先，解答大家在選購 LPS 時的一個小疑惑！
MCE 網站為啥子有十幾種 LPS？它們名字后長長長長長長的后綴是什么？
前面我們提到，LPS 是細菌細胞壁的成分。So，MCE 網站上不同的 LPS 代表它們來自于不同的細菌。
小貼士：
舉個例子，我們在誘導炎癥模型中常用的 LPS, from E. coli O55: B5，它是來自于大腸桿菌 O55: B5 血清型的內毒素。其中，大腸桿菌血清型是大腸桿菌的一種分類方式，O55 代表了特異性 O 鏈中 O 抗原的一種特定類型，B5 表示鞭毛抗原的一種類型。
下面，我們就一起了解一下 LPS 可以誘導哪些模型以及一些注意事項~
一、體外細胞炎癥模型[5][6][7][8]
1. 推薦的 LPS 類型 (排名有先后順序哦~)：
1) Lipopolysaccharides, from E. coli O55: B5 (廣泛使用！)；
2) Lipopolysaccharides, from E. coli O111: B4 (廣泛使用！)；
3) Lipopolysaccharides, from P. gingivalis (牙周炎相關研究)。
2. 常用細胞類型：
1) 巨噬細胞，如 RAW 264.7、BMDMs；
2) 小膠質細胞，如 N9、原代細胞；
3) 腫瘤細胞，如 Caco-2、A549 和 PC3。
3. 參考濃度范圍和處理時間：
0.1-10 μg/mL；1-24 h。
4. 推薦檢測指標：
1) 上清或細胞中炎癥因子：IL-1β、IL-6 及 TNF-α 等 (ELISA/qPCR/WB)；
2) NO 釋放/NO 代謝物含量 (Kits 檢測)；
3) 炎癥基因：iNOS、NF-kB 及 NLRP3 等 (qPCR/WB)；
4) 細胞活力：CCK-8 或 MTT。
5. 注意事項：
1) 在正式實驗前，應根據細胞系和 LPS 來源等查找相關參考文獻，進行濃度和時間梯度的篩選以確定最優(yōu)的實驗方案。
2) LPS 刺激細胞不一定會引起細胞死亡，因此不宜僅僅通過檢測細胞活力來確定 LPS 造模濃度和時間，建議檢測炎癥因子的表達和分泌。
3) 在 LPS 刺激細胞的過程中，應定期觀察細胞的形態(tài)變化，過高濃度可能引發(fā)細胞毒性，過低濃度則可能無法有效損傷細胞。
4) 一定濃度的 DMSO 可顯著抑制 LPS 誘導的炎癥反應，建議用 PBS 或 ddH2O 溶解。
5) 在體外炎癥模型構建研究中，Lipopolysaccharides, from E. coli O55: B5 和 Lipopolysaccharides, from E. coli O111: B4 是應用最為廣泛的 LPS，推薦使用！若開展牙周炎相關研究時，也可選用 Lipopolysaccharides, from P. gingivalis。
二、體內動物模型
三、神經系統疾病研究
除了上述常見的 LPS 誘導的炎癥疾病模型外，LPS 還可用于神經系統疾病的研究。
圖 2. LPS 作用機制[2]。
注意事項：
1) 在 LPS 誘導動物模型前，應根據實驗目的、動物類型等，查找相關參考文獻，進行預實驗，以確定最優(yōu)的實驗方案。
2) 在 LPS 給藥后，不同的炎癥因子，其含量峰值出現的時間點可能不一致，建議根據參考文獻確定實驗方案，以及預實驗時應多選幾個時間點檢測。
3) LPS 溶解后可在 -20℃ 穩(wěn)定保存約一個月，-80℃ 約 6 個月。LPS 需避光保存，并避免反復凍融。由于內毒素具有較強的吸附性，建議儲存于硅烷化容器內。如果使用玻璃容器，使用前請確保充分混合，以保證 LPS 完全重新溶解 (若 LPS 濃度超過 1 mg/mL，則對小瓶側面的吸附可忽略不計)。
Section.03
小結
寶子們，今天小 M 帶著大家梳理了 LPS 的相關知識。面對五花八門的 LPS，大家再也不用犯愁啦。希望這些知識能幫助大家輕松拿捏實驗，在炎癥研究領域發(fā)光發(fā)熱！如果覺得這篇 LPS 干貨秘籍有幫助，別忘了點贊、分享哦~
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[1] Bertani B, et al. Function and Biogenesis of Lipopolysaccharides. EcoSal Plus. 2018 Aug;8(1):10.1128/ecosalplus.ESP-0001-2018.
[2] Zhang X, et al. Application of lipopolysaccharide in establishing inflammatory models. Int J Biol Macromol. 2024 Nov;279(Pt 4):135371.
[3] Cohen J. The immunopathogenesis of sepsis. Nature. 2002 Dec 19-26;420(6917):885-91.
[4] Lu YC, et al, Ohashi PS. LPS/TLR4 signal transduction pathway. Cytokine. 2008 May;42(2):145-151.
[5] Huang S, et al. Disruption of the Na+/K+-ATPase-purinergic P2X7 receptor complex in microglia promotes stress-induced anxiety. Immunity. 2024 Mar 12;57(3):495-512.e11.
[6] Guo D, et al. Synergistic rheumatoid arthritis therapy by interrupting the detrimental feedback loop to orchestrate hypoxia M1 macrophage polarization using an enzyme-catalyzed nanoplatform. Bioact Mater. 2024 Jul 23;41:221-238.
[7] Tezcan G, et al. Azithromycin and Ceftriaxone Differentially Activate NLRP3 in LPS Primed Cancer Cells. Int J Mol Sci. 2022 Aug 22;23(16):9484.
[8] Park J, et al. Fucoidan inhibits LPS-induced inflammation in vitro and during the acute response in vivo. Int Immunopharmacol. 2017 Feb;43:91-98.
[9] Li CC, et al. Suppression of Dendritic Cell-Derived IL-12 by Endogenous Glucocorticoids Is Protective in LPS-Induced Sepsis. PLoS Biol. 2015 Oct 6;13(10):e1002269.
[10] Rialdi A, et al. Topoisomerase 1 inhibition suppresses inflammatory genes and protects from death by inflammation. Science. 2016 May 27;352(6289):aad7993.
[11] Hagiwara S, et al. Antagonist of the type-1 ANG II receptor prevents against LPS-induced septic shock in rats. Intensive Care Med. 2009 Aug;35(8):1471-8.
[12] Makrecka-Kuka M, et al. Inhibition of CPT2 exacerbates cardiac dysfunction and inflammation in experimental endotoxaemia. J Cell Mol Med. 2020 Oct;24(20):11903-11911.
[13] Chen XS, et al. Angiotensin-(1-7) ameliorates sepsis-induced cardiomyopathy by alleviating inflammatory response and mitochondrial damage through the NF-κB and MAPK pathways. J Transl Med. 2023 Jan 2;21(1):2.
[14] Yang J, et al. MicroRNA-106a Provides Negative Feedback Regulation in Lipopolysaccharide-Induced Inflammation by targeting TLR4. Int J Biol Sci. 2019 Aug 22;15(11):2308-2319.
[15] Zhang Y, et al. Melatonin alleviates acute lung injury through inhibiting the NLRP3 inflammasome. J Pineal Res. 2016 May;60(4):405-14.
[16] Kwon WY, et al. Niacin attenuates lung inflammation and improves survival during sepsis by downregulating the nuclear factor-κB pathway. Crit Care Med. 2011 Feb;39(2):328-34.
[17] Ma J, et al. Geraniol ameliorates acute liver failure induced by lipopolysaccharide/D-galactosamine via regulating macrophage polarization and NLRP3 inflammasome activation by PPAR-γ methylation Geraniol alleviates acute liver failure. Biochem Pharmacol. 2023 Apr;210:115467.
[18] Firth JD, et al. Lipopolysaccharide induces a stromal-epithelial signalling axis in a rat model of chronic periodontitis. J Clin Periodontol. 2013 Jan;40(1):8-17.
[19] Park J, et al. Fucoidan inhibits LPS-induced inflammation in vitro and during the acute response in vivo. Int Immunopharmacol. 2017 Feb;43:91-98.
[20] Li L, et al. Ablation of Siglec-E augments brain inflammation and ischemic injury. J Neuroinflammation. 2022 Jul 20;19(1):191.
[21] Yamawaki Y, et al. Imipramine prevents Porphyromonas gingivalis lipopolysaccharide-induced microglial neurotoxicity. Biochem Biophys Res Commun. 2022 Dec 17;634:92-99.
[22] Arioz BI, et al. Melatonin Attenuates LPS-Induced Acute Depressive-Like Behaviors and Microglial NLRP3 Inflammasome Activation Through the SIRT1/Nrf2 Pathway. Front Immunol. 2019 Jul 2;10:1511.
[23] Liu Q, et al. BGP-15 alleviates LPS-induced depression-like behavior by promoting mitophagy. Brain Behav Immun. 2024 Jul;119:648-664.
[24] Huang B, et al. Polydatin Prevents Lipopolysaccharide (LPS)-Induced Parkinson's Disease via Regulation of the AKT/GSK3β-Nrf2/NF-κB Signaling Axis. Front Immunol. 2018 Nov 5;9:2527.
[25] Zhao Y, et al. Connexin43 inhibition attenuated dopaminergic neuronal loss in the lipopolysaccharide-induced mice model of Parkinson's disease. Neurosci Lett. 2022 Feb 6;771:136471.
