英文標(biāo)題：Glucose-dependent insulinotropic polypeptide/glucagon-like peptide 1 receptor agonist tirzepatide promotes branched chain amino acid catabolism to prevent myocardial infarction in non-diabetic mice

中文標(biāo)題：葡萄糖依賴(lài)性促胰島素多肽/胰高血糖素樣肽1受體激動(dòng)劑替西帕肽促進(jìn)支鏈氨基酸分解代謝，預(yù)防非糖尿病小鼠心肌梗死

發(fā)表期刊：Cardiovascular Research

影響因子：13.3

客戶(hù)單位：武漢大學(xué)人民醫(yī)院

百趣提供服務(wù)：新一代代謝組學(xué)NGM 2 Pro

心血管疾病(Cardiovascular Diseases, CVD)是全球主要死亡原因之一，急性心肌梗死(Acute Myocardial Infarction, MI)可導(dǎo)致心功能障礙和死亡，其機(jī)制涉及炎癥、纖維化和血管生成，最終引發(fā)心肌重構(gòu)和心衰(Heart Failure, HF)。目前，葡萄糖依賴(lài)性胰島素促進(jìn)多肽受體激動(dòng)劑(Glucose-dependent Insulinotropic Polypeptide Receptor Agonists, GIPRAs)和胰高血糖素樣肽1受體激動(dòng)劑(Glucagon-Like Peptide 1 Receptor Agonists, GLP-1RAs)在2型糖尿病(Type 2 Diabetes Mellitus, T2DM)患者中顯示出心血管益處，但仍有部分患者未達(dá)治療目標(biāo)。新型藥物替西帕肽(Tirzepatide, TZP)在臨床研究中表現(xiàn)出良好的降糖和減重效果，且與代謝途徑相關(guān)。新證據(jù)表明，支鏈氨基酸(Branched Chain Amino Acid, BCAA)分解代謝缺陷與許多代謝性疾病相關(guān)，包括肥胖、糖尿病、心臟疾病和動(dòng)脈粥樣硬化。在肥胖小鼠中，TZP起增強(qiáng)胰島素敏感性的作用與脂肪組織中葡萄糖、脂質(zhì)和支鏈氨基酸氧化相關(guān)的代謝通路有關(guān)。在生理?xiàng)l件下，心臟中的三磷酸腺苷(ATP)生成主要依賴(lài)脂肪酸氧化和葡萄糖氧化，同時(shí)也有酮體和氨基酸等替代底物的參與。在長(zhǎng)時(shí)間缺血事件中，心臟會(huì)經(jīng)歷代謝適應(yīng)，導(dǎo)致心臟代謝重塑以及結(jié)構(gòu)和功能改變 。然而，TZP對(duì)心肌梗死后小鼠代謝變化及其機(jī)制尚不明確。本研究通過(guò)心肌梗死手術(shù)誘導(dǎo)小鼠心肌重塑，發(fā)現(xiàn)TZP可改善心肌梗死小鼠的BCAA分解代謝缺陷，發(fā)揮心臟保護(hù)作用，并與低BCAA飲食協(xié)同減輕非糖尿病小鼠心肌梗死后的心功能障礙。

1、TZP對(duì)心肌梗死小鼠的療效和安全性評(píng)估

以12周齡非糖尿病C57BL/6J小鼠為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，觀察TZP對(duì)正常和心肌梗死小鼠體重、能量代謝及心肌損傷的影響。結(jié)果顯示，與對(duì)照組相比，TZP治療的假手術(shù)和心肌梗死小鼠體重增加略有減少（圖1A），且MI-TZP組心肌損傷標(biāo)志物心肌肌鈣蛋白I(cTnT)和肌酸激酶同工酶-MB(CK-MB)表達(dá)下降（圖1B-C），表明TZP減輕了心肌梗死引起的心肌損傷。此外，TZP對(duì)小鼠的正常空腹血糖、總膽固醇和甘油三酯水平無(wú)顯著影響（圖1D-F）。這些數(shù)據(jù)表明，TZP在不影響正常血糖和血脂水平的情況下，可輕微降低心肌梗死小鼠體重并減輕心肌損傷。

2、TZP可改善心功能障礙，減輕心肌梗死后心臟重構(gòu)

接下來(lái)研究者評(píng)估了TZP對(duì)心肌梗死后心功能的潛在影響。生存分析顯示，與MI-veh組相比，MI-TZP組小鼠長(zhǎng)期生存顯著提高，尤其在心肌梗死后第一周（圖2A）。尸檢和Masson染色表明，MI后7天內(nèi)主要死亡原因是心臟破裂，MI-TZP組心臟破裂發(fā)生率顯著降低（圖2B）。此外，MI-TZP組肺水腫發(fā)生率減輕（圖2C），肺重量變化與之相符。研究還發(fā)現(xiàn)，TZP減輕了心肌梗死后的心肌肥厚，降低了心肌肥厚標(biāo)志物BNP和β-MHC的表達(dá)，改善了心肌細(xì)胞肥大。超聲心動(dòng)圖評(píng)估顯示，TZP顯著改善了心肌梗死后第7天和第28天小鼠的左心室射血分?jǐn)?shù)(LVEF)，降低了收縮末期容積(ESV)和左心室收縮末期內(nèi)徑(LVIDs)，表明其可恢復(fù)左室收縮功能并減輕左室擴(kuò)張（圖2D）。但TZP對(duì)假手術(shù)組心功能無(wú)影響（圖2E-G）。此外，心肌梗死后3天的TTC染色顯示TZP治療減少了心肌梗死面積（圖2H-I）。這些結(jié)果表明，TZP可提高心肌梗死小鼠的長(zhǎng)期生存率并改善心功能障礙。

3、TZP通過(guò)減輕心肌壞死和促進(jìn)心肌梗死后早期纖維化修復(fù)來(lái)減輕心肌破裂

心肌梗死后的修復(fù)反應(yīng)分為炎癥、增殖和成熟三個(gè)階段。研究發(fā)現(xiàn)，TZP可減輕心肌梗死后的心肌壞死和促進(jìn)早期纖維化修復(fù)。H&E染色顯示，MI-TZP小鼠在心肌梗死后7天的壞死面積顯著小于MI-veh小鼠，但28天時(shí)差異不顯著（圖3A-B）。凋亡標(biāo)志物mRNA表達(dá)也表明TZP在心肌梗死后7天顯著減少了心肌壞死。在增殖階段，馬松三色染色和膠原I mRNA分析顯示，MI-TZP小鼠在心肌梗死后7天和28天的膠原合成顯著增加（圖3C-D）。免疫熒光分析表明，MI-TZP組在心肌梗死后7天的膠原陽(yáng)性面積高于MI組。免疫組化染色顯示，TZP在心肌梗死后7天促進(jìn)了肌成纖維細(xì)胞的產(chǎn)生，但在7-28天的瘢痕成熟階段無(wú)效（圖3E-F）。這些結(jié)果表明，TZP通過(guò)減輕心肌壞死和促進(jìn)早期纖維化修復(fù)，減少了心肌破裂的發(fā)生。

4、TZP減輕心肌梗死組織炎癥

心肌梗死后，炎癥細(xì)胞浸潤(rùn)從第1天開(kāi)始，至第7天達(dá)到高峰。巨噬細(xì)胞和中性粒細(xì)胞是早期清除壞死碎片的關(guān)鍵細(xì)胞，但它們釋放的炎癥介質(zhì)會(huì)加重心肌損傷。研究發(fā)現(xiàn)，TZP可減輕心肌梗死后的炎癥反應(yīng)。免疫組化染色顯示，心肌梗死后7天，TZP減少了梗死區(qū)和邊界區(qū)的MPO+中性粒細(xì)胞和Mac3+巨噬細(xì)胞浸潤(rùn)（圖4A-B, 4D-E）。流式細(xì)胞術(shù)分析表明，心肌梗死后3天，TZP輕微降低了心肌組織中中性粒細(xì)胞和巨噬細(xì)胞的浸潤(rùn)（圖4C-F）。Western blotting和mRNA分析顯示，TZP下調(diào)了炎癥標(biāo)志物TNFα和CD68的蛋白表達(dá)，減少了炎癥細(xì)胞因子（如白細(xì)胞介素-1β、TNFα和MCP-1）的表達(dá)（圖4G-H）。這些結(jié)果表明，TZP可減輕心肌梗死后的炎癥和心臟損傷。

5、TZP促進(jìn)心肌梗死后BCAA分解代謝途徑

先前研究表明TZP與心臟代謝相關(guān)，隨后對(duì)心肌梗死后7天的小鼠心臟進(jìn)行非靶標(biāo)代謝組學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)TZP治療的心肌梗死小鼠顯示出顯著的代謝重編程（圖5A）。與MI-veh小鼠相比，TZP處理的心臟中有2732種代謝物差異表達(dá)，其中約42%上調(diào)（圖5B）。KEGG途徑分析顯示，TZP與纈氨酸、亮氨酸和異亮氨酸降解途徑密切相關(guān)，顯著增加了支鏈氨基酸的降解（圖5C）。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，BCAT2、BCKDHA、ACAD8等酶的基因表達(dá)在MI和TZP-MI組之間存在差異，其中BCKDHA在TZP處理后顯著上調(diào)（圖5E）。因此，TZP通過(guò)調(diào)節(jié)關(guān)鍵酶BCKDHA的表達(dá)來(lái)促進(jìn)BCAA的降解。

6、TZP通過(guò)促進(jìn)BCKDHA激活來(lái)促進(jìn)BCAA分解代謝

以亮氨酸為例（圖6A），BCAA經(jīng)BCAT轉(zhuǎn)化為α-酮酸，再由BCKDHA分解為異戊酰輔酶A進(jìn)入TCA循環(huán)供能。分子對(duì)接顯示TZP可與BCKDHA結(jié)合，降低其S293位點(diǎn)磷酸化，增強(qiáng)酶活性，促進(jìn)BCAA分解代謝，抑制BCAA/mTOR信號(hào)通路（圖6B-I）。此外，TZP減少BDK與BCKDHA的相互作用，可能通過(guò)此機(jī)制抑制BCKDHA磷酸化。

7、低支鏈氨基酸飲食具有心臟保護(hù)作用，并與TZP協(xié)同作用，可減輕HF

為了研究降低BCAA水平是否可以減輕心肌梗死后的心肌重構(gòu)，研究人員通過(guò)建立低BCAA飲食的小鼠模型來(lái)驗(yàn)證這一假設(shè)（圖7A）。通過(guò)低BCAA飲食小鼠模型發(fā)現(xiàn)，低BCAA飲食可降低血漿BCAA水平，但對(duì)心臟BCAA水平、心臟收縮功能和心臟重量無(wú)影響。在心肌梗死小鼠中，低BCAA飲食與TZP協(xié)同作用，進(jìn)一步改善心臟收縮功能（提高LVEF，降低ESV和LVIDs），增強(qiáng)早期纖維化修復(fù)，減少炎癥反應(yīng)，減輕心肌肥厚（圖7B-E）。這些結(jié)果表明低BCAA飲食可改善心肌梗死后的心肌重構(gòu)，并與TZP發(fā)揮協(xié)同保護(hù)作用。

8、低BCAA飲食和TZP協(xié)同抑制BCAA積累/mTOR信號(hào)通路

低BCAA飲食通過(guò)降低血漿BCAA水平，減少了心肌梗死后心臟中BCAA的積累，進(jìn)而降低了P-BCKDHA/BCKDHA和P-mTOR/mTOR的水平（圖7H-K）。此外，低BCAA飲食和TZP均能降低組蛋白 H3K23丙酰化，增強(qiáng)線(xiàn)粒體呼吸，促進(jìn)線(xiàn)粒體氧化磷酸化（圖7L-M）。它們還改善了心肌梗死后受損的胰島素信號(hào)通路和葡萄糖耐量。綜上所述，低BCAA飲食和TZP在改善心肌梗死后心臟功能方面具有協(xié)同作用，可能通過(guò)促進(jìn)BCAA分解代謝來(lái)增強(qiáng)心臟保護(hù)效果。

本研究探討了TZP對(duì)心肌梗死后心衰的保護(hù)作用，發(fā)現(xiàn)TZP通過(guò)調(diào)節(jié)BCAA代謝，降低心臟中BCAA積累，抑制mTOR通路，減輕心肌損傷，促進(jìn)纖維化修復(fù)，改善心臟功能。低BCAA飲食與TZP協(xié)同作用，進(jìn)一步增強(qiáng)心臟保護(hù)效果。研究還表明，TZP改善胰島素信號(hào)通路和葡萄糖耐量，且對(duì)非糖尿病小鼠安全。這些發(fā)現(xiàn)為T(mén)ZP作為心肌梗死后心衰治療藥物提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。