Basic Res Cardiol 济宁医学院王友/朱苏红与杜克大学张国芳团队发现肝脏清除肠源性丙酸减少导致PA心肌氧化应激增强

丙酸血症(propionic acidemia, PA)是一种罕见的常染色体隐形遗传病，由编码丙酸辅酶A羧化酶(propionyl-carboxylase, PCC)的基因突变所致。临床上可表现为危及生命的心肌病和心律失常，其病理生理学机制尚不明确。

2024年7月11日，济宁医学院王友/朱苏红和杜克大学分子生理研究所张国芳团队在Basic Res Cardiol发表了题为“The attenuated hepatic clearance of propionate increases cardiac oxidative stress in propionic acidemia”的研究论文，本项研究通过采用稳定同位素示踪分析方法，研究了啮齿动物心脏和人诱导多能干细胞来源的心肌细胞中丙酰辅酶A来源及代谢，发现心脏中的丙酰辅酶A主要源于肠道产生的丙酸；使用丙酸处理PCCA敲减的HL-1细胞和Pcca^-/-(A138T)小鼠后发现氧化应激明显增强，小鼠心脏表现出轻度的舒张功能障碍。这些发现表明，PA患者的心脏可能特别容易受到循环中丙酸水平升高的影响，为该疾病的临床防治新手段提供了启发与理论基础。

首先，作者利用大鼠Langendorff离体心脏灌流模型，使用稳定同位素示踪分析方法发现，心脏中的丙酰辅酶A的主要来源是丙酸，而非传统认为的丙源性氨基酸(异亮氨酸、缬氨酸、苏氨酸和甲硫氨酸)，即便灌流液中只有异亮氨酸时，其对于丙酰辅酶A的贡献率也仅有~16%。

为了进一步明确上述结果，作者在大鼠Langendorff离体心脏灌流液中加入了稳定同位素标记的奇数链氨基酸和上述的丙源性氨基酸，分别检测了¹³C标记的各底物及其中间代谢物的标记率。结果同样表明，大鼠心脏中的丙酰辅酶A的来源是丙酸。

作者随后检测了人诱导干细胞来源的心肌细胞对丙酸及丙源性氨基酸(异亮氨酸、缬氨酸、苏氨酸和甲硫氨酸)的代谢情况。结果依然表明，心肌细胞对丙酸的摄取利用远远高于丙源性氨基酸。

接下来，作者研究了血浆中游离丙酸的来源，收集了正常和无菌(GF)小鼠的门静脉(PV)、肝静脉(HV)和肾静脉(RV)的血浆样本。结果表明，丙酸和其他短链脂肪酸主要是由肠道微生物群产生，被肠道吸收后通过门静脉运输到肝脏。肝脏能有效地代谢大多数短链脂肪酸，特别是丙酸盐、丁酸盐和戊酸盐。

因此，在Pcca^-/-(A138T)小鼠和丙酸血症病人血浆中，其丙酸和丙酸肉碱的浓度均明显高于对照。为了研究循环中丙酸水平的上升是否是由于丙酸代谢受损所致，作者对野生型和Pcca^-/-(A138T)小鼠腹腔注射了大剂量的[¹³C₃]丙酸，随后在第10分钟和第20分钟时测定了血浆中的丙酸水平。结果表明，野生型小鼠可以将丙酸进行糖异生代谢，丙酸水平明显降低；而Pcca^-/-(A138T)小鼠未能有效的将丙酸进行糖异生，血中的丙酸水平居高不下。

上述所有的实验数据均表明，心脏丙酰辅酶A主要来源于循环中的丙酸。本研究使用的Pcca^-/-(A138T)小鼠模型虽然其PCC功能降低，但是肝脏仍然可以代谢~90%的肠道来源的丙酸，并将循环中的丙酸保持在一个适度的水平(~20µM)。为了探究丙酸血症患者体内丙酸升高与心肌病的潜在关联，作者在野生型和Pcca^-/-(A138T)小鼠的饮用水中均给予0.25M的丙酸，在喂食2周和16周后监测其心脏功能。心脏超声结果表明，在Pcca^-/-(A138T)小鼠中，存在轻微的舒张功能障碍，没有收缩功能和射血分数的改变。这与小鼠残存的PCC活性有关，需要进一步使用更敏感的技术或额外的刺激联合丙酸给药进行研究。

为了探讨心脏PCC活性降低和丙酸刺激对心功能的影响，作者最后使用了siRNA敲减了HL-1细胞中的PCCA，与野生型细胞相比，丙酸处理后的PCCA敲减的HL-1细胞的氧化应激水平显著升高；Pcca^-/-(A138T)小鼠心脏的GSH/GSSG比值显著降低，蛋氨酸亚砜水平显著升高。

综上所述，这是第一个研究离体心脏中丙酰辅酶A来源及代谢的工作，研究团队发现了循环中的丙酸是心脏丙酰辅酶A的主要来源，而不是丙源性氨基酸或奇数链脂肪酸。丙酸血症时，肝脏对肠道微生物产生的丙酸的清除减少所导致的循环中丙酸升高是心脏并发症的一个重要危险因素。

济宁医学院基础医学院王友副教授、朱苏红讲师为本文的共同第一作者，杜克大学分子生理研究所张国芳副教授为通讯作者，该项目得到了国家自然科学基金、美国丙酸血症基金会和山东省医药发展项目等资助。

原文链接：

https:// doi: 10.1007/s00395-024-01066-w