Cell Metabolism|代谢流探究心力衰竭的治疗拐点--丙酮酸-乳酸轴

文章题目

丙酮酸-乳酸轴调控心肌肥大和心力衰竭

The pyruvate-lactate axis modulates cardiac hypertrophy and heart failure

发表期刊

Cell Metabolism

（IF=22.415）

发表时间：2020.12

      本文阐述了丙酮酸乳酸轴对于心脏关键节点的稳态与健康的重要性。

Highlights

1. 心肌线粒体丙酮酸载体（MPC）的表达趋势与左心室辅助装置（LVAD）介导干预的慢性心力衰竭患者的恢复相关。

2. 小鼠心脏及心肌细胞中线粒体丙酮酸载体（MPC）的降低可能诱发心肌肥大和心力衰竭。

3. 线粒体丙酮酸载体（MPC）的过表达可以减轻药物诱发的心肌肥大。

抑制单羧酸盐转运蛋白（MCT4）的表达可以缓解小鼠心肌细胞肥大。

摘要

    心肌细胞的代谢重排是目前公认的心力衰竭（Heart Failure，简称HF）的重要标志。这些代谢变化包括线粒体丙酮酸氧化反应的减少以及乳酸代谢的增加。我们确定线粒体丙酮酸载体（以下简称MPC）和细胞乳酸输出单羧酸盐转运蛋白（MCT4）作为该代谢轴的关键节点。本文中，作者观察到心脏辅助设备诱发的心肌慢性HF患者病情的恢复与心肌细胞中MPC的表达量增加同时发生。此外，在培养的心肌细胞以及成年鼠心脏组织中，MPC的表达量的降低足以诱发心肌肥大和后续的心力衰竭（HF）。相反，MPC的过表达减轻了药物诱导引发的心肌肥大。为了进一步证明作者的假设，本文中用到了一种新型高效的MCT4蛋白抑制剂，可有效减轻培养的心肌细胞以及造模小鼠的心肌肥大症状。结合二者的实验结果，作者认为丙酮酸-乳酸轴的改变是心肌肥大及心力衰竭的一个基本和早期特征。

研究背景

    心力衰竭（HF）是一种复杂的慢性心脏病，其特征是心脏抽动的减少，以及血液充盈能力的下降，在全球范围内是住院以及死亡的常见疾病。心力衰竭（HF）通常先发生病理性心脏肥大，不良表现为心肌细胞增加，同时心脏大小也增加。慢性HF有多种病因并经常由原因不明的心肌病导致。治疗性的晚期心力衰竭患者的选择有限，包括侵入性手术，例如心脏移植和左心室辅助装置（LVAD）植入，可通过机械支持帮助心脏获得足够的血流量和血液动力。但是，LVAD作为临时的治疗手段，仅被视为患者治疗时的临时干预供体心脏，很少作为治疗目的的终生疗法，越来越多的研究表明大约15％的晚期慢性HF患者的恢复情况，具体取决于患者人群LVAD卸载后心肌恢复的程度和循环支持。

    但是越来越多的治疗研究提出了，LVAD疗法作为HF逆转的一种可能治疗方法（即桥-心肌恢复），而不是过渡移植。然而，患者的个体差异以及内在原因决定了每个慢性心力衰竭患者的术后反应差异很大。在正常情况下，心肌细胞的代谢是灵活的，并以脂肪酸氧化（FAO）为主要成分产生ATP功能。相反，在HF期间心肌细胞失去其代谢活性，同时供能转化由脂肪酸氧化转变为丙酮酸的氧化。丙酮酸被导入线粒体后代谢产物主要是乳酸盐，也可以是氨基酸类其他代谢物。尽管在HF动物模型的可重复实验中，可以观察这些潜在的新陈代谢变化的原因以及它们之间的关系，但是在其导致心力衰竭及后续恢复机理尚不明确。乳酸虽然经常被认为是代谢废物，但它是其实可以通过酶转化为丙酮酸的心肌燃料--乳酸脱氢酶（LDH）的，从而进入三羧酸酸（TCA）循环产生ATP。在此之前，也有报道称葡萄糖通过循环乳酸为TCA循环提供了动力，暗示乳酸也有可能是一种重要的心肌的能量来源。这种通过消耗乳酸同时产生乳酸来平衡人类心脏中的糖酵解丙酮酸的方式，是健康人群的心脏供能方式。然而，在HF患者中，由于糖酵解丙酮酸是优先转化为乳酸的，同时也减少了乳酸的摄入，我们称这种平衡为丙酮酸-乳酸轴。线粒体丙酮酸载体（MPC）是异二聚体转运丙酮酸的MPC1和MPC2的复合体，糖酵解的产物，进入线粒体可以通过丙酮酸脱氢酶完全氧化（PDH）和TCA循环进行功能。在正常情况下，心肌细胞表达低水平的MCT4，它作为羧酸盐的成员运输者（MCT）家族蛋白中的一员，在之前的研究报道中，是细胞中的乳酸盐的主要出口。在下图中，MPC可能是关键的控制点，调控丙酮酸氧化或胞质转化产生乳酸。    因此，作者认为丙酮酸-乳酸轴是维持心脏稳态和健康的重要节点。同时，作者发现，在植入LVAD的慢性HF患者中，心脏恢复程度与心脏组织中的MPC丰度增加有关。相反，成年模式小鼠心肌组织中的MPC表达量减少足以诱发心脏肥大，慢性心力衰竭，和死亡。此外，MPC活性的丧失足以诱导肥大，而MPC过表达减轻药物诱导的多个体外心肌细胞模型中的心肌肥大。以此为依据，选择有效的MCT4抑制剂可有效防止和逆转实验小鼠中心肌组织和细胞的肥大。结合使用同位素标记的C13葡萄糖代谢流实验，表明减少的线粒体丙酮酸氧化确实是与心肌肥大紧密相关的。这些数据表明丙酮酸-乳酸代谢轴是心肌细胞生长和功能的关键调节节点并可以以此作为治疗心肌肥大及心力衰竭的重要治疗依据。

研究结果

1. MPC1缺乏症会促使心脏肥大并最终导致心力衰竭。

    LVAD植入后，经过几个月的适应期；心力衰竭患者被分为了有反应者或无反应者；实验设计见下图；    作者分析比较了来自同一个人类心脏的左心室射血分数（LVEF）和左心室舒张末期直径（LVEDD），LVAD卸载前后相比较，HF患者被分为了无术后反应者（n = 60）和有术后反应者（n = 23），见下图；另外，作者也观察到有术后反应组的MPC丰度显著性增加，但无反应者中的MPC1丰度无明显影响。同时，也观察到，有术后反应者中，PDH的磷酸化水平显著性受到了抑制，但是无术后反应者的PDH磷酸化水平变化很少，作者推断丙酮酸氧化过程于PDH磷酸化程度是有一定相关性的。

图：LVAD卸载前后患者比较

    这些来自患者心肌样本的数据表明对LVAD有术后反应的HF患者可能存在潜在的代谢病因，于是，作者认为MPC表达的改变是影响心衰和术后恢复的关键因素。为了确定MPC的缺失是否足以诱导心力衰竭（HF），作者构建了心脏特异性和可诱导的MPC1缺陷的小鼠疾病模型（MPC1CKO）。而后对这些小鼠进行他莫昔芬（tamoxifen）药物治疗。MPC1CKO特异性基因敲除小鼠的心脏出现扩张型心肌病，且在后期出现明显的临床症状（见下图）。这些结果证明在成年小鼠心脏中MPC1的损失足以引起心脏肥大和可能致死的心力衰竭HF。2. MPC的丢失会导致早期肥大并最终导致线粒体衰    在研究中， MPC1CKO小鼠的心脏在8 wpi时作为关键的时间节点，是KO小鼠发生心肌肥大之前，而和16 wpi则被认为是在心力衰竭HF之后。于是作者分别对这两个关键时间节点的小鼠进行取样分析，筛选得到差异基因。通过比较MPC1CKO和WT数据，和GO功能分析，发现涉及到的关键GO功能为心脏细胞发育，胶原蛋白组织，细胞分裂和伤口反应。这部分在8周的时间点很明显，在16周的时间点进一步得到了加强。同时作者也指出， MPC1CKO小鼠中参与TCA循环酶相关的基因与参与丙酮酸循环的相关基因也有显著的变化。这些数据表明MPC的丧失引起早期代偿性改变代谢基因的表达，并最终导致明显的线粒体缺陷的发生以及心力衰竭HF甚至死亡。图：MPC1CKO vs WT 基因GO分析

3. 线粒体丙酮酸运输的损失是必要的足以诱发心肌细胞肥大

    基于疾病模型，作者使用H9c2培养的心肌细胞进一步进行研究，作者利用了MPC特异性抑制剂UK5099（UK），或者是通过shRNA介导敲低（MPC1 KD）以破坏这些细胞中的MPC活性。作者发现，任何一种处理方法都会增加细胞大小和总蛋白质含量（下图）。图：心肌细胞中的蛋白表达    而后，作者用C13同位素标记Glucose培养基培养心肌细胞，进行代谢流分析；具体通路信息见下图。其中空心圈为普通碳（C12），实心圈表示同位素标记的碳（C13）。结果表明MPC1 KD和shCtrl H9c2细胞中糖酵解和TCA循环的中间体的13C富集。同时在处理后的细胞中，同位素标记碳主要富集在细胞外的乳酸中。图：代谢流分析4. 维持线粒体丙酮酸可以防止心肌细胞肥大    作者单独提取线粒体，对其进行代谢流分析以检测特定代谢物*丙酮酸和乳酸）的变化。同时该实验中用到了多种药物处理。    在这些线粒体中，作者发现，MCT4抑制后，丙酮酸水平降低。但是，无法在线粒体中检测到任何乳酸含量，但在全细胞样本中，是可以检测到乳酸的表达的。该结果表明丙酮酸或单独使用乳酸就足以使心肌细胞在不含葡萄糖的培养基过度增殖，同时，作者还观察到VB124引起的糖酵解增加了进入TCA循环的通量（下图）。图：MCT4治疗后代谢流分析

5. MCT4抑制剂可以预防心肌肥大

    研究团队设置了不同的药物治疗手段，VB124或Veh都可以有效抑制MCT4的表达。而后观察治疗后小鼠的临床表型，同时对小鼠心肌组织进行了代谢组学研究，对其差异代谢物进行了聚类分析，结合临床表型及代谢物表达趋势变化，发现MCT抑制剂确实可以有效预防小鼠的心肌肥大。图：MCT4抑制剂预防小鼠心肌肥大6. 丙酮酸-乳酸代谢轴    抑制乳酸出口可以导致乳酸在细胞内的积累，从而将LDH推入产生丙酮酸的相反方向，使NADH成为该反应的副产物。反过来，积累丙酮酸通过MPC（或其他替代途径）驱动其进入线粒体，在其中可以抑制丙酮酸脱氢酶激酶（PDK）的活性。这也阻碍了PDK抑制PDH活性的功能，从而增强细胞氧化丙酮酸的能力。丙酮酸和乳酸使得细胞内ROS（氧化应激）的降低。这可能是由于乳酸和丙酮酸清除自由基的能力。同时，丙酮酸和乳酸盐以前有报道指出可以有效保护心肌免受氧化应激。而线粒体受损作为心力衰竭（HF）的先兆，同时，线粒体膜的改善可以抑制MCT4活性，这些越来越多的证据表明线粒体健康对心脏健康的影响程度。该研究数据表明，线粒体丙酮酸代谢对于维持线粒体的结构和功能以及限制在心肌细胞中产生ROS起着重要作用。

结论

    以前关于线粒体丙酮酸代谢的研究主要集中在PDH酶上（Gopal et al, 2018）。该研究以及其他最近发表的研究（Zhang et al，2020），突出显示线粒体丙酮酸载体MPC的重要性，它先于PDH导入PDH底物转化为丙酮酸盐，并且涉及到许多代谢通路，及有多种代谢产物。这种以糖酵解代谢表型为特征的MPC状态已被认为是临床表型中实体肿瘤的共同特征，且它可以促进生物合成，以维持生物质需要细胞增殖。另外，该研究最终确定线粒体丙酮酸载体MPC的缺失会导致细胞过度增殖并最终形成肿瘤。由于原发性心脏肿瘤极为罕见，于是研究者基于他们的研究结果提出了以下假设：相同的代谢扰动导致细胞增殖过程中的肿瘤引发细胞或驱动细胞有丝分裂而后导致心肌细胞肥大。

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参考文献

Ahmad A Cluntun, Rachit Badolia, Sandra Lettlova , et al. The pyruvate-lactate axis modulates cardiac hypertrophy and heart failure. Cell Metab. 2020 Dec 11.

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