英文標題：Insulin Resistance Compromises the Pentose Phosphate Pathway and Impairs Left Ventricular Assist Device–Mediated Myocardial Recovery in Obese Patients with Heart Failure
中文標題：胰島素抵抗損害磷酸戊糖途徑并損害肥胖心力衰竭患者左心室輔助裝置介導的心肌恢復
發表期刊：Circulation
影響因子：38.7
研究背景
心力衰竭（Heart failure，HF）是全球范圍內的重大健康危機，影響數百萬人群，死亡率居高不下，給醫療系統帶來沉重負擔。近些年，左心室輔助裝置（LVAD）作為機械循環支持的核心技術，已從“移植橋梁”逐步發展為“恢復橋梁”，通過機械卸載減輕心室負荷、促進逆重構，部分患者可實現裝置移除，成為終末期HF患者的重要治療選擇。然而，臨床實踐中發現，并非所有患者都能在LVAD支持下實現心肌恢復：部分患者心功能顯著改善，而另一部分患者則難以獲益，其潛在機制尚未得到系統闡明。基于此，本研究通過臨床數據分析、動物模型模擬及多組學技術，探究胰島素抵抗、磷酸戊糖途徑（PPP）與LVAD介導心肌恢復的關聯，為優化肥胖HF患者的LVAD治療策略提供理論依據。
研究結果
1、肥胖HF患者的LVAD介導心肌恢復因胰島素抵抗而減弱
研究納入6個醫療中心30例LVAD植入患者，按心肌恢復程度分為三組。研究結果顯示，體重指數（BMI）及肥胖患者（BMI≥28.0）的比例在三組間差異顯著（表1），其他臨床特征無明顯不同，這表明肥胖與患者心肌恢復程度之間存在顯著關聯。
表 1 LVAD植入患者的臨床特征
術后6個月，非肥胖組左心室舒張末期內徑（LVIDd）顯著降低、左心室射血分數（LVEF）顯著升高（圖1A-B），實現心肌恢復；而肥胖組這兩項指標無顯著變化（圖1C-D），說明肥胖患者LVAD介導的心肌恢復受抑。進一步分析發現，肥胖組的胰島素抵抗指數（HOMA-IR）顯著高于非肥胖組（圖1E）；散點圖顯示，無應答者集中在高BMI、高胰島素抵抗象限，應答者則在低水平象限（圖1F），且無應答者HOMA-IR水平最高（圖1G），其與心功能改善程度呈負相關（圖1H-I）。此外，單細胞RNA測序（snRNA-seq）顯示，無應答者心肌細胞的胰島素受體（INSR）、IRS2表達更低，且存在胰島素抵抗相關轉錄特征—胰島素抵抗通路上調，胰島素信號及PI3K-Akt通路下調。由此可見，肥胖誘導的胰島素抵抗是人類LVAD介導心肌恢復不佳的關鍵因素。
圖 1 胰島素抵抗與肥胖HF患者LVAD介導的心肌恢復有關
2、心肌INSR信號通路與葡萄糖攝取在卸載心臟中上調
為探究上述結果的潛在機制，研究采用同系異位頸部心臟移植小鼠模型模擬LVAD卸載。首先，通過snRNA-seq探索了心臟卸載中涉及的信號通路（圖2A），識別出11個基于經典標志物的細胞亞群（圖2B）。與負荷心臟相比，卸載心臟的細胞類型組成顯著不同（圖2C），差異基因富集于代謝通路（圖2D），其中心肌細胞的代謝評分最高（圖2E）。進一步分析顯示，卸載心臟的心肌細胞脂肪酸氧化相關基因表達降低，INSR及葡萄糖攝取相關基因表達升高；胰島素信號通路、PI3K-Akt通路富集（圖2G-H），這些通路相關基因在蛋白互作網絡中處于核心位置，且在卸載心肌細胞中轉錄水平更高（圖2I-J）。
圖 2 卸載心臟中的胰島素受體信號通路活性和葡萄糖攝取高于負荷心臟
蛋白印跡（WB）與影像學分析驗證上述發現：卸載心臟中INSR與PI3K-Akt通路磷酸化水平、GLUT4蛋白表達（圖3A-C）及心肌葡萄糖攝取（圖3D-E）均顯著升高，而脂肪酸氧化關鍵蛋白表達下降（圖3F）。為明確INSR的關鍵作用，研究通過AAV9介導的局部基因敲低技術，特異性敲低卸載心肌中的Insr表達（圖3G-H）。結果顯示，敲低卸載心臟中的Insr后，下游IRS2/PI3K-Akt通路磷酸化、GLUT4表達及葡萄糖攝取均顯著降低（圖3I-K），同時脂肪酸氧化蛋白表達回升（圖3L），證實INSR激活是卸載誘導心肌葡萄糖攝取增加的核心原因。
圖 3 INSR在卸載心臟葡萄糖攝取的上調中起重要作用
3、卸載狀態下心肌磷酸戊糖途徑上調
如圖4所示，研究以[U-¹³C]葡萄糖示蹤非靶標代謝組學探究卸載心臟的代謝轉向，其中卸載與負荷心臟的¹³C標記葡萄糖代謝存在顯著差異（圖4B）。差異豐度評分分析表明，僅中心碳代謝在卸載狀態下上調（圖4C），且¹³C標記差異代謝物主要集中于PPP（圖4D）；計算標記代謝物占總通量的比例發現，PPP相關代謝物上調、糖酵解無差異、三羧酸循環下調（圖4E）。因此，卸載心臟的葡萄糖主要流向PPP。
snRNA-seq驗證顯示，卸載狀態下心肌細胞的葡萄糖攝取及PPP相關基因上調，三羧酸循環基因下調（圖4F）。結合[1,2-¹³C]葡萄糖示蹤靶標代謝組學，卸載心臟的PPP相關代謝物同位素含量升高（圖4H），（m+2）和（m+1）標記的PPP衍生代謝物比例顯著高于負荷心臟（圖4I），且NADPH/NADP?比值升高（圖4J）。此外，[U-¹³C]棕櫚酸示蹤顯示，卸載心臟的TCA循環中脂肪酸衍生標記中間體減少，亦暗示著脂肪酸氧化受抑。綜合來看，機械卸載可重編程心肌代謝，使得葡萄糖代謝轉向PPP，同時抑制脂肪酸氧化。
圖 4 卸載心臟攝取的葡萄糖主要進入磷酸戊糖途徑（PPP）以產生NADPH
4、心臟卸載通過PPP修復衰竭心臟
基于冠脈結扎心衰模型，研究移植構建出心臟卸載模型，用以明確心臟卸載對心衰心肌恢復的影響及PPP的介導作用。組內對比顯示：與負荷組相比，卸載組3周時的心功能指標均得到顯著改善，即心功能在卸載后得到恢復。病理檢測顯示，心臟卸載后，其心肌細胞凋亡減少（圖5B）、梗死區纖維化減輕（圖5C）、Ⅰ/Ⅲ型膠原比例降低（圖5D）、心肌肥大逆轉（圖5E）。分子層面，卸載組的葡萄糖攝?。▓D5F）、INSR-PI3K-Akt通路活性及GLUT4表達（圖5G-H）均顯著升高。更重要的是，PPP關鍵酶（TKT、TALDO1、G6PD）表達及NADPH/NADP+比值上調（圖5I-J），同時氧化應激標志物減少，抗氧化酶SOD2表達增加（圖5K-L），線粒體呼吸功能在卸載后也得到改善（圖5M），表明PPP上調通過增加NADPH生產，減輕了心肌氧化應激。
圖 5 卸載通過磷酸戊糖途徑減輕衰竭心臟的氧化應激
結合關鍵敲低實驗，亦證實PPP是該修復機制的關鍵介導之一：當敲低PPP關鍵酶G6pd（圖6A-B）后，NADPH生成減少（圖6C），氧化應激增強（圖6D-E），線粒體功能受損（圖6F），心肌凋亡與纖維化加重（圖6G-I），心功能恢復受阻（圖6J-K）。
綜上所述，心臟卸載通過激活INSR信號通路促進葡萄糖攝取，進而上調PPP活性，增加NADPH生成以減輕心肌氧化應激，最終實現衰竭心臟的結構與功能修復，其中INSR信號和PPP是該修復過程的核心介導因素。
圖 6 抑制PPP減弱了卸載介導的衰竭心臟心肌恢復
5、胰島素抵抗抑制PPP并減弱肥胖小鼠中卸載介導的心肌恢復
基于臨床觀察，本研究在肥胖小鼠中建立心衰及心臟移植模型，以驗證肥胖相關的胰島素抵抗是否削弱卸載介導的心肌恢復。在此模型中，高脂飲食誘導的肥胖小鼠表現出胰島素抵抗。與正常小鼠模型不同，肥胖小鼠的衰竭心臟在卸載后并未出現心功能指標的顯著改善，表明恢復過程依舊受損。組織學分析顯示，卸載組與負荷組在心肌細胞凋亡（圖7B）、心肌纖維化（圖7C）及膠原蛋白比例（圖7D）均無顯著差異。分子層面，在肥胖背景下，卸載并未有效激活INSR-PI3K-Akt信號通路及GLUT4表達（圖7F-G），心臟葡萄糖攝取無增加（圖7E），PPP關鍵酶表達及NADPH/NADP+比值亦未上調（圖7H-I）。此外，心臟氧化應激水平（圖7J-K）與線粒體呼吸功能（圖7L）也未改善，說明代謝-抗氧化軸激活失敗。然而，過表達G6PD后，肥胖小鼠卸載心臟的心功能卻顯著恢復，揭示靶向激活PPP可以挽救恢復障礙。簡言之，肥胖誘導的胰島素抵抗確實能夠削弱卸載介導的心肌恢復，其核心機制是通過抑制心肌葡萄糖的攝取及其PPP活性。
圖 7 肥胖通過抑制PPP來阻礙卸載介導的心肌恢復
6、吡格列酮恢復肥胖小鼠卸載介導的心肌恢復
基于胰島素抵抗抑制心肌恢復的發現，本研究欲進一步探究改善胰島素敏感性能否恢復卸載的有益作用。為此，研究聚焦胰島素增敏劑“吡格列酮（Pioglitazone）”，對接受心臟移植的肥胖小鼠進行了為期3周的藥物治療。結果而言，該治療顯著改善了小鼠的葡萄糖耐量與胰島素敏感性，同時恢復了卸載介導的心肌恢復。在病理上，治療組的心肌細胞凋亡（圖8D）、梗死區纖維化（圖8E）、Ⅰ/Ⅲ型膠原比例（圖8F）等均得到有效改善。
在分子與代謝方面，吡格列酮不僅增強了卸載衰竭心臟的葡萄糖攝?。▓D8G），而且上調了PI3K-Akt與INSR通路的磷酸化水平以及GLUT4的表達（圖8H-I）。同時，PPP關鍵酶（G6PD、TKT、TALDO1）的表達及NADPH/NADP+比值也顯著上升（圖8J-K）。伴隨著PPP的激活，心臟氧化應激減輕（圖8L-M），線粒體呼吸功能得到改善（圖8N）?？傮w而言，吡格列酮復原了肥胖HF小鼠的卸載介導心肌恢復，有效證實了胰島素增敏劑類藥物所具有的治療潛力，而其效用是通過改善胰島素敏感性，激活INSR-PI3K-Akt通路，上調PPP介導的氧化還原穩態所實現。
圖 8 吡格列酮可恢復肥胖小鼠中卸載介導的心肌恢復
研究小結
本研究聚焦終末期心力衰竭（HF）患者LVAD介導的心肌恢復差異問題，通過臨床數據分析、小鼠異位心臟移植模型構建及單細胞RNA測序、穩定同位素示蹤代謝組學等多技術手段，系統探究了肥胖相關胰島素抵抗的影響及分子機制。研究發現，BMI≥28.0的肥胖HF患者因胰島素抵抗，LVAD介導的心肌恢復顯著受損；機制上，機械卸載通過YAP-TEAD4通路激活心肌INSR信號，促進葡萄糖攝取并轉向PPP，生成NADPH以減輕氧化應激，而PI3K-Akt-MDM2通路通過穩定G6PD進一步強化該保護效應；肥胖誘導的胰島素抵抗會阻斷這一代謝重編程過程，而吡格列酮等胰島素增敏劑可恢復INSR-PPP軸功能，逆轉心肌恢復障礙。該研究揭示了胰島素抵抗-PPP軸在LVAD療效中的核心作用，為肥胖HF患者制定個性化代謝干預策略、提升LVAD治療獲益提供了重要理論依據。