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供稿 | 中國生物物理學會代謝生物學分會

中國生物物理學會代謝生物學分會舉辦的線上論壇“代謝鴻論”第151講很榮幸邀請到了來自美國德克薩斯州立大學西南醫學中心Joseph A。 Hill教授作為主講人，進行題為“Meta-inflammatory Mechanisms of HFpEF”的報告。下面，我們將對本次論壇的精彩內容進行回顧。

主講人簡介

Joseph A。 Hill教授是美國德克薩斯州立大學西南醫學中心心內科及分子生物學系教授，擔任心內科以及Harry S。 Moss心臟中心主任。Hill 教授擔任諸多著名雜誌主編/編委及審稿人，包括《Circulation》，《Circulation Research》，《American Medical Association》，《American Journal of Cardiology》等。其課題組的研究重點為心肌肥厚及心力衰竭中心臟結構、功能以及電生理重構的分子機制。

論壇回顧

射血分數保留型心力衰竭（heart failure with preserved injection fraction， HFpEF）目前已成為全球範圍內心力衰竭的主要形式，且尚缺乏有效的治療方案。HFpEF患者多包含各種合併症，如肥胖、糖尿病、高血壓等，由於HFpEF疾病複雜程度較高，難以轉化為理想的動物模型，導致其病理生理學機制尚不完全清楚。

1、HFpEF動物模型構建

Dr。 Hill 首先介紹了其課題組基於壓力應激（高血壓）及代謝應激（肥胖、糖尿病）構建的“Two-hit” 小鼠模型，雄性C57BL/6N小鼠同時給予高脂飲食（High fat diet，HFD，60%脂肪）及L-NAME飲水處理5周，HFD誘導小鼠體重增加及糖耐量異常，L-NAME誘導小鼠高血壓。超聲心動圖結果顯示HFD及L-NAME共同處理後，小鼠心臟射血分數（ejection fraction，EF%）無明顯改變，但出現舒張功能障礙，表現為左心室整體縱向應變降低，E/A與E/E’比值明顯升高，且出現左心室充盈壓升高。此外，HFD及L-NAME共同處理還誘導了小鼠運動耐量障礙及肺充血。在心臟結構方面檢測顯示，HFD及L-NAME共同處理誘導小鼠心臟肥大及心肌纖維化，並且分離小鼠心肌細胞發現HFD及L-NAME共同處理誘導心肌細胞收縮速度明顯降低，舒張受損。上述資料表明HFD及L-NAME共同處理引起的小鼠心臟結構和功能方面的改變符合HFpEF臨床患者的特徵。

2、iNOS依賴的IRE1α-XBP1訊號通路抑制在HFpEF心臟內皮炎症中的作用

研究發現，在HFpEF患者中發生未摺疊蛋白反應（unfolded protein response）——這是一種進化保守的適應性反應［1］。IRE1α-XBP1訊號軸是UPR最保守的分支，然而，IRE1α-XBP1訊號通路在HFpEF中的作用尚不清楚。Dr。 Hill發現在HFpEF小鼠中UPR反應的感測器以及效應器均被啟用，並且出現了Xbp1s水平降低以及IRE1α磷酸化水平降低，並且這種IRE1α磷酸化活性降低及Xbp1s水平僅發生在HFpEF患者和小鼠中，而非HFrEF。此外，心肌細胞過表達Xbp1s改善了HFpEF小鼠表型。

目前，HFpEF病理生理學普遍認為合併症主要是透過內皮炎症反應驅動心臟重塑［2］。全身炎症狀態透過降低冠狀動脈內皮NOS（eNOS）活性進而限制心肌細胞的NO生物利用度。L-NAME誘導的心血管系統事件與iNOS上調有關，在此HFpEF小鼠模型中，L-NAME作為一種內皮功能障礙型高血壓的驅動因素。此外，HFD也會誘導齧齒類動物iNOS表達上調。Dr。 Hill發現HFD與L-NAME共同處理引發了一種全身系統性的炎症反應，且出現了iNos水平增加。iNOS活性升高和亞硝基化應激促進多種蛋白質中半胱氨酸殘基的s-亞硝基化［3］。在病理性肥胖小鼠肝臟中存在iNOS依賴的IRE1α亞硝基化，抑制其內切酶活性致Xbp1s減少［4］。Dr。 Hill發現在HFD與L-NAME共同處理的小鼠心臟組織中出現了IRE1α的s-亞硝基化，心肌細胞過表達iNOS也增加了總蛋白以及IRE1α的s-亞硝基化，並且與Xbp1s轉錄水平降低相關。以上結果表明iNOS透過增加IRE1α的s-亞硝基化調節IRE1α活性，從而減少心肌細胞中Xbp1的生成。為了證實iNOS對IRE1α-XBP1軸依賴性抑制在HFpEF發生發展中的作用，Dr。 Hill構建了Nos2基因特異性敲除小鼠，發現iNOS抑制改善小鼠HFpEF表型，恢復了HFpEf誘導的Xbp1s和Xbp1轉錄抑制及IRE1α磷酸化，並且顯著降低了IRE1α的s-亞硝基化。以上結果說明，iNOS依賴的IRE1α-XBP1通路失調是誘導HFpEF中心肌細胞功能障礙的重要機制。

3、XBP1s-STUB1-FOXO1泛素化訊號通路在調節HFpEF心臟代謝中的作用

Dr。 Hill在接下來的實驗中探究IRE1α-XBP1軸如何透過調節心肌細胞以及心臟代謝改善HFpEF表型，其研究發現心肌細胞特異性過表達Xbp1s減輕了HFpEF小鼠心臟中的脂質積累。在以往的肝臟研究中顯示Xbp1s透過調節FoxO1活性調節肝臟代謝［5］，並且FoxO1在調節脂質穩態中發揮重要作用［6］。基於此，Dr。 Hill假設FoxO1轉錄因子可以與Xbp1s在心臟組織中發生相互作用。其研究發現，在HFpEF小鼠心臟組織及心肌細胞核中FoxO1核定位表達明顯增加，並且FoxO1下游靶基因mRNA水平增加。Dr。 Hill還發現，過表達Xbp1s 對FoxO1轉錄水平無明顯差異，但是促進了FoxO1蛋白降解，明顯降低了FoxO1蛋白水平。FoxO1透過依賴於多種E3泛素連線酶的泛素化降解調節蛋白水平［7］。Dr。 Hill在E3泛素連線酶STUB1啟動子區域識別出一個Xbp1的結合位點，在轉染Stub1的熒光素酶載體中轉染Xbp1導致熒光素酶活性呈現濃度依賴性增加，ChIP實驗證明了Xbp1與STUB1啟動子區域的結合。在NRVM中過表達Xbp1發現STUB1的蛋白和mRNA水平均增加，並且在Xbp1s過表達心臟組織中也發現STUB1水平增加。此外，在HFpEF小鼠心臟中STUB1 mRNA水平明顯降低，這與Xbp1水平一致。Dr。 Hill還發現在心肌細胞特異性FoxO1敲除小鼠中，HFpEF表型被改善，心臟脂質沉積減少。

4、性別在HFpEF中的作用

既往研究普遍認為在射血分數保留型心力衰竭中，女性患者佔大多數［8］。Dr。 Hill在HFD與L-NAME共同處理的小鼠模型中探究了性別差異對HFpEF發病率的影響。HFpEF短期（5周）以及長期（15周）處理後，雌性和雄性小鼠出現了相似的肥胖，糖耐量受損以及高血壓。超聲心動圖顯示雌性小鼠較雄性小鼠相比，表現出了較小的E/E’增加，以及心臟質量及左心室重塑指數變化不顯著。此外，HFpEF雌性小鼠較雄性小鼠相比，心臟組織纖維化及心肌細胞肥大程度明顯較低。老年婦女的HFpEF高發生率被認為是由於低雌激素水平導致，為了探究雌激素在HFpEF小鼠中的作用，Dr。 Hill對HFpEF處理15周的小鼠分別進行了卵巢切除及假手術，結果發現，與假手術組相比，切除卵巢的雌性小鼠心臟質量及舒張功能相似。以上結果說明，與傳統觀念相反，雌性在HFpEF中具有保護作用。

5、AMPK訊號通路受損促進HFpEF相關的房顫

HFpEF患者易發房顫，並且房顫可作為HFpEF住院、死亡風險增加的獨立危險因素［9］。Dr。 Hill在HFpEF小鼠中探究了HFpEF與房顫之間的關係。結果發現，HFpEF小鼠與對照組小鼠相比，房顫高度易感並且發作持續時間明顯延長。超聲心動圖也顯示在HFpEF小鼠中觀察到了顯著的左心房增大及左心房收縮受損。Masson染色及天狼星紅染色結果顯示HFpEF小鼠左心房並無明顯的纖維化增加，但是左心室纖維化程度中度增加。上述結果說明左心房纖維化不太可能是HFpEF中房顫易感的因素。LKB1-AMPK訊號通路在維持心房結構和功能具有重要作用［10］，HFpEF小鼠心臟組織中p-AMPK水平明顯低於對照組小鼠。在用二甲雙胍（AMPK激動劑）處理HFpEF小鼠後，Dr。 Hill觀察到房顫的易感性及持續時間均顯著降低。以上結果說明HFpEF小鼠易發房顫，AMPK訊號通路受損可能在HFpEF相關的房顫中具有重要作用，而心房纖維化非主要因素。

6、HFpEF小鼠心臟組織中線粒體受損

線粒體功能障礙是代謝障礙的標誌［11］， Dr。Hill在HFpEF小鼠中探究心臟線粒體功能障礙對HFpEF發病的影響。電鏡結果顯示，HFpEF小鼠心臟線粒體發生顯著改變，表現為線粒體排列紊亂，線粒體嵴腫大。Dr。 Hill還確定了在HFpEF心臟中，穀氨酸啟動的複合體I和琥珀酸啟動的複合體II呼吸都沒有變化，但是棕櫚醯肉鹼和丙酮酸啟動的呼吸顯著減少。以上結果說明在HFpEF小鼠心臟組織中三羧酸（TCA）迴圈和線粒體電子傳遞鏈（electron transport chain，ETC）功能正常，但是上游丙酮酸和脂肪酸代謝存在缺陷。

最後Dr。 Hill對整個彙報進行了總結：基於壓力應激（高血壓）及代謝應激（肥胖、糖尿病）成功構建了HFpEF 小鼠模型，並且發現在HFpEF患者及小鼠中均出現一種未摺疊蛋白反應效應因子Xbp1剪下形式表達降低，這種減少是由於iNOS活性增加以及其誘導的IRE1α的亞硝基化所引起的。在代謝研究方面，發現HFpEF小鼠脂質沉積增加以及FoxO1活性增加，Xbp1s透過轉錄啟用STUB1誘導FoxO1泛素化及蛋白酶體降解。此外，HFpEF小鼠還存線上粒體功能障礙以及房顫，並且女性在HFpEF小鼠中發揮保護作用。

總之，對野生型小鼠進行壓力應激（高血壓）及代謝應激（肥胖、糖尿病）共同處理成功構建了符合HFpEF患者特徵的動物模型，iNOS依賴的IRE1α-XBP1促進了HFpEF小鼠心臟中的內皮炎症反應，XBP1-STUB1通路抑制增加了FoxO1活性，從而促進了HFpEF小鼠心臟中的脂質積累。此外，HFpEF小鼠還存線上粒體功能障礙以及房顫，並且女性在HFpEF小鼠中發揮保護作用。

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參考文獻

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原標題：《【論壇回顧】“代謝鴻論”第151講 | Meta-inflammatory Mechanisms of HFpEF》