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《自然—生物医学工程》:斯坦福大学吴庆明团队揭示心动过速导致心脏功能下降的分子机制

已有 1238 次阅读 2023-12-1 09:10 |个人分类:小柯生命|系统分类:论文交流

北京时间2023年11月28日,美国斯坦福大学心血管研究所所长,美国心脏学会主席吴庆明(Joseph C. Wu)课题组在Nature Biomedical Engineering杂志发表文章“Tachycardia-induced metabolic rewiring as a driver of contractile dysfunction”.


该项研究首次利用干细胞合成的人工心脏组织在体外模拟心动过速诱发的心肌病 (Tachycardia-induced cardiomyopathy, TIC), 并结合病人数据,动物数据,首次揭示了心动过速导致的心脏功能下降的分子机制。为临床治疗涉及心动过速导致的心脏功能下降提供了新的治疗靶点和思路。


涂承熠(Chengyi Tu)博士为本文的第一作者,Joseph C. Wu教授为本文的通讯作者。美国天普大学大动物模型专家Fabio Recchia教授, 科罗拉多大学医学院生物统计专家 Matthew Taylor教授和Luisa Mestroni教授也参与了本项研究。

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非生理性的心率过速是心脏健康的重要危险因素。在心脏病人中,静息心率增加10 次/分钟,心衰风险上升13-16%。在健康人群中,静息心率上升和心血管疾病的发生也存正相关关系。临床研究表明靶向性降心率的药物能够显著降低心脏疾病的风险。因此,心率上升不光是一个心脏健康信号的指标,本身也是一个促进心脏疾病发生的危险因素。

心动过速诱发的心肌病(TIC)是指当病人的心率因为某些原因(例如房颤)而长时间过快(大于每分钟100次)而诱发的类似心脏衰竭症状。主要症状包括心脏射血分数显著下降,心脏肥大和心脏纤维化等。与大部分心脏衰竭不同,在药物或者手术治疗降低心率后,心动过速诱发的心肌病是部分或者完全可逆的。该病的具体发病率不清晰,但一般认为诊断率偏低。有研究估计在左心室功能不全的房颤病人中,25-75%存在某种程度的TIC。第一例心动过速诱发的心肌病的病例是1913年报道,然后直到最近长期心动过速到底是如何损害心脏功能并不清楚。一个重要原因来源于该疾病的研究依赖大型动物模型,尤其是犬类模型,因为实验犬静息心率与人类心率较为接近。然而大动物模型通量低,费用高,并且有众多干扰因素: 例如细胞类型复杂,器官之间的crosstalk等。

在这项工作中,作者利用诱导干细胞所分化的心肌细胞合成了人工心脏组织(Engineered heart tissue, EHT),然后在培养中加入了脂肪酸和激素(Triiodothyronine, dexmathasone)来促进其成熟。随后,作者对人工心脏组织进行了快速电刺激(3 Hz)来模拟心动过速。在长期(5天)快速刺激下,人工心脏组织的收缩和舒张功能都显著受损,下降至基准线的50%左右。而在停止刺激心率正常后,这些组织的收缩和舒张功能在随后的几天内逐渐恢复正常。该表型与病人的临床表现以及大型动物模型中的表型类似。作为对照,正常的 1 Hz 的电刺激对组织功能没有显著影响。这些结果初步表明成熟的人工心脏组织可以用来模拟心动过速诱发的心肌病。

随后转录组学分析发现,在模拟的心动过速中,缺氧诱导因子通路 (HIF1 patwhay)和糖酵解信号通路 (Glycolysis pathway)的有关基因显著上调。而心动过速停止几天心肌功能恢复之后,这两个通路的基因表达又回到正常水平。表明这两个通路可能与心脏功能受损有密切关系。随后作者对这两个通路进行了更深入的分析。首先,通过氧敏感的荧光指示剂标记发现,心动过速的组织内出现了缺氧的情况,并且缺氧诱导因子(HIF1)蛋白表达也显著上升。说明心动过速可能导致过度氧消耗进而引发组织内缺氧。有意思的是,通过分析病人转录组数据,作者发现心动过速的病人心肌中缺氧诱导因子通路也有一定程度的上调。另一方面,代谢组学分析发现在心动过速中各种糖代谢产物也有显著上升。同时,葡萄糖载体蛋白(GLUT1)也显著上调。这些结果说明心动过速也促进了心肌组织对糖代谢的依赖。

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图1: 基于多模型的心动过速诱导心肌病机理研究。心动过速导致的缺氧和当代谢打乱NAD 平衡,从而增加蛋白乙酰化,抑制心肌功能

但是,氧气减少和糖代谢又是如何损害心肌功能的呢?之前有研究表明,氧气减少或者糖代谢增加都会破坏烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD)在细胞内的平衡。具体来说,NAD+和NAD的比例会下降。果然,在持续心动过速之后,人工心脏组织的NAD+和NADH比例下降了大约10%。NAD+是Sirtuins家族去乙酰化蛋白的辅酶。NAD+/NADH比例下调会降低Sirtuine的去乙酰化 (de-acetylation)能力,进而增加蛋白乙酰化 (protein acetylation)。蛋白电泳分析发现,心动过速在人工心脏组织和实验犬的心脏组织中都导致了大量的蛋白乙酰化。

接下来,作者把注意力集中在了SERCA2a蛋白上。SERCA2a是心肌细胞中负责钙离子回收的最主要的蛋白。SERCA2a的活性与心肌功能有着直接的关系。一般晚期心衰病人中,SERCA2a的表达量会有所下降。有意思的是,作者发现SERCA2a的表达量在心动过速的人工心脏组织和实验犬中都没有显著变化。不过,通过免疫沉淀(Immunoprecipitation, IP),作者发现SERCA2a的蛋白乙酰化显著上升。2019年Woo Jin Park 和Changwon Kho 课题组合作文章首次发现乙酰化能降低SERCA2a活性。综合分析,作者认为SERCA2a乙酰化可能是心动过速导致可逆性心衰的一个重要靶点。为了验证该猜想,作者在心动过速后的人工心肌组织中加入了1 mM NAD+处理。与对照组相比, NAD+处理的心肌组织蛋白乙酰化广泛降低,并且SERCA2a的乙酰化也显著降低。功能上,NAD+处理显著加快了人工心脏组织的功能恢复。从而说明NAD-Sirtuins介导的SERCA2a乙酰化是心动过速诱导心肌功能损害的重要的分子机制。

综上所述,本文作者利用人工心脏组织首次建立了一个体外研究心动过速诱导心肌病的模型。并且结合了病人和动物模型数据,揭示了心动过速诱导心肌病的一个潜在分子机制。为之后临床中治疗涉及心动过速的心肌病患者,尤其是对心率控制困难的病人,提供了新的治疗思路。该研究由美国国立卫生院-心肺血液研究所和美国心脏协会基金资助。

相关论文信息:

https://doi.org/10.1038/s41551-023-01134-x




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