IF=13.3！武大人民醫院鄧偉教授團隊揭示tirzepatide協同低BCAA飲食改善心梗后心功能

英文標題：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

中文標題：葡萄糖依賴性促胰島素多肽/胰高血糖素樣肽1受體激動劑替西帕肽促進支鏈氨基酸分解代謝，預防非糖尿病小鼠心肌梗死

發表期刊：Cardiovascular Research

影響因子：13.3

客戶單位：武漢大學人民醫院

百趣提供服務：新一代代謝組學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)可導致心功能障礙和死亡，其機制涉及炎癥、纖維化和血管生成，最終引發心肌重構和心衰(Heart Failure, HF)。目前，葡萄糖依賴性胰島素促進多肽受體激動劑(Glucose-dependent Insulinotropic Polypeptide Receptor Agonists, GIPRAs)和胰高血糖素樣肽1受體激動劑(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治療目標。新型藥物替西帕肽(Tirzepatide, TZP)在臨床研究中表現出良好的降糖和減重效果，且與代謝途徑相關。新證據表明，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，包括肥胖、糖尿病、心臟疾病和動脈粥樣硬化。在肥胖小鼠中，TZP起增強胰島素敏感性的作用與脂肪組織中葡萄糖、脂質和支鏈氨基酸氧化相關的代謝通路有關。在生理條件下，心臟中的三磷酸腺苷(ATP)生成主要依賴脂肪酸氧化和葡萄糖氧化，同時也有酮體和氨基酸等替代底物的參與。在長時間缺血事件中，心臟會經歷代謝適應，導致心臟代謝重塑以及結構和功能改變 。然而，TZP對心肌梗死后小鼠代謝變化及其機制尚不明確。本研究通過心肌梗死手術誘導小鼠心肌重塑，發現TZP可改善心肌梗死小鼠的BCAA分解代謝缺陷，發揮心臟保護作用，并與低BCAA飲食協同減輕非糖尿病小鼠心肌梗死后的心功能障礙。

1、TZP對心肌梗死小鼠的療效和安全性評估

以12周齡非糖尿病C57BL/6J小鼠為實驗對象，觀察TZP對正常和心肌梗死小鼠體重、能量代謝及心肌損傷的影響。結果顯示，與對照組相比，TZP治療的假手術和心肌梗死小鼠體重增加略有減少（圖1A），且MI-TZP組心肌損傷標志物心肌肌鈣蛋白I(cTnT)和肌酸激酶同工酶-MB(CK-MB)表達下降（圖1B-C），表明TZP減輕了心肌梗死引起的心肌損傷。此外，TZP對小鼠的正?？崭寡?、總膽固醇和甘油三酯水平無顯著影響（圖1D-F）。這些數據表明，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

接下來研究者評估了TZP對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天內主要死亡原因是心臟破裂，MI-TZP組心臟破裂發生率顯著降低（圖2B）。此外，MI-TZP組肺水腫發生率減輕（圖2C），肺重量變化與之相符。研究還發現，TZP減輕了心肌梗死后的心肌肥厚，降低了心肌肥厚標志物BNP和β-MHC的表達，改善了心肌細胞肥大。超聲心動圖評估顯示，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數(LVEF)，降低了收縮末期容積(ESV)和左心室收縮末期內徑(LVIDs)，表明其可恢復左室收縮功能并減輕左室擴張（圖2D）。但TZP對假手術組心功能無影響（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）。這些結果表明，TZP可提高心肌梗死小鼠的長期生存率并改善心功能障礙。

3、TZP通過減輕心肌壞死和促進心肌梗死后早期纖維化修復來減輕心肌破裂

心肌梗死后的修復反應分為炎癥、增殖和成熟三個階段。研究發現，TZP可減輕心肌梗死后的心肌壞死和促進早期纖維化修復。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天時差異不顯著（圖3A-B）。凋亡標志物mRNA表達也表明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天促進了肌成纖維細胞的產生，但在7-28天的瘢痕成熟階段無效（圖3E-F）。這些結果表明，TZP通過減輕心肌壞死和促進早期纖維化修復，減少了心肌破裂的發生。

4、TZP減輕心肌梗死組織炎癥

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

5、TZP促進心肌梗死后BCAA分解代謝途徑

先前研究表明TZP與心臟代謝相關，隨后對心肌梗死后7天的小鼠心臟進行非靶標代謝組學分析，發現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，其中約42%上調（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，顯著增加了支鏈氨基酸的降解（圖5C）。進一步分析發現，BCAT2、BCKDHA、ACAD8等酶的基因表達在MI和TZP-MI組之間存在差異，其中BCKDHA在TZP處理后顯著上調（圖5E）。因此，TZP通過調節關鍵酶BCKDHA的表達來促進BCAA的降解。

6、TZP通過促進BCKDHA激活來促進BCAA分解代謝

以亮氨酸為例（圖6A），BCAA經BCAT轉化為α-酮酸，再由BCKDHA分解為異戊酰輔酶A進入TCA循環供能。分子對接顯示TZP可與BCKDHA結合，降低其S293位點磷酸化，增強酶活性，促進BCAA分解代謝，抑制BCAA/mTOR信號通路（圖6B-I）。此外，TZP減少BDK與BCKDHA的相互作用，可能通過此機制抑制BCKDHA磷酸化。

7、低支鏈氨基酸飲食具有心臟保護作用，并與TZP協同作用，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，研究人員通過建立低BCAA飲食的小鼠模型來驗證這一假設（圖7A）。通過低BCAA飲食小鼠模型發現，低BCAA飲食可降低血漿BCAA水平，但對心臟BCAA水平、心臟收縮功能和心臟重量無影響。在心肌梗死小鼠中，低BCAA飲食與TZP協同作用，進一步改善心臟收縮功能（提高LVEF，降低ESV和LVIDs），增強早期纖維化修復，減少炎癥反應，減輕心肌肥厚（圖7B-E）。這些結果表明低BCAA飲食可改善心肌梗死后的心肌重構，并與TZP發揮協同保護作用。

8、低BCAA飲食和TZP協同抑制BCAA積累/mTOR信號通路

低BCAA飲食通過降低血漿BCAA水平，減少了心肌梗死后心臟中BCAA的積累，進而降低了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，增強線粒體呼吸，促進線粒體氧化磷酸化（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同作用，可能通過促進BCAA分解代謝來增強心臟保護效果。

本研究探討了TZP對心肌梗死后心衰的保護作用，發現TZP通過調節BCAA代謝，降低心臟中BCAA積累，抑制mTOR通路，減輕心肌損傷，促進纖維化修復，改善心臟功能。低BCAA飲食與TZP協同作用，進一步增強心臟保護效果。研究還表明，TZP改善胰島素信號通路和葡萄糖耐量，且對非糖尿病小鼠安全。這些發現為TZP作為心肌梗死后心衰治療藥物提供了實驗依據。