Sci Adv :上海交通大学医学院何晓敏/张浩/郑景浩教授团队揭示肠道菌群来源犬尿氨酸在儿童心室重构中的作用及机制

主动脉瓣狭窄、主动脉弓缩窄等先天性心脏病都存在慢性左心压力负荷增加，导致心室重构。对于这类先心患儿，手术是解除梗阻的唯一方法。然而，在手术矫正前，心室重构往往就已经存在，并呈进行性发展。不及时干预会导致不可逆的心肌肥厚和间质纤维化，显著增加心力衰竭和手术风险，恶化长期结局。此外，最佳的干预时间往往难以确定，目前可用的指标主要取决于梯度压差和有无症状，而这些指标在早期并不能指示心脏损害和功能恶化的程度。因此，儿童心衰领域迫切需要开发更敏感的生物标志物和有效的心室重构预防方法。

绝大多数成人心室重构的研究从病理机制、代谢改变和分子蛋白阐述相关变化，而近些年多组学方法的出现使我们能够以更全面、更系统的方式重新审视心脏疾病。全身观认为心力衰竭是一个系统性过程，是涉及不同器官和多因素机制的协调网络。除了循环系统，心力衰竭还通过远程信号影响其他器官系统，后者可能会加剧疾病。代谢组学的应用已经揭示了大量与心血管疾病相关的血浆代谢产物，这些代谢产物可以作为生物标志物，也可以通过细胞受体和细胞内信号通路行使其功能。这种全身观在儿童心脏疾病中特别重要，因为儿童的器官对循环刺激更敏感。已有研究表明，多种心血管疾病可以导致肠道血流灌注不足，而肠道微生物群及其代谢产物会反过来影响疾病进展。然而，肠道微生物群与儿童左心室压力负荷下心室重构之间的相互作用尚不明确。

2023年7月14日，国家儿童医学中心(上海)、上海交通大学医学院附属上海儿童医学中心心胸外科何晓敏、张浩、郑景浩教授团队在国际权威期刊Science Advances在线发表了题为“Targeting gut microbiota–derived kynurenine to predict and protect the remodeling of the pressure-overloaded young heart”的研究论文，揭示了肠道菌群代谢产物犬尿氨酸用于预测儿童心室重构的生物标志物潜力和作用机制，为儿童群体中干预肠道菌群预防心室重构提供了有效证据。

首先，作者招募了20人的发现队列(poLV组左心流出道梗阻儿童10人vs.对照组小房间隔缺损/室间隔缺损儿童10人)，通过血浆非靶向代谢组学发现两组儿童血浆代谢产物组成具有明显差异。将显著差异的血浆代谢产物与队列心室重构临床指标做相关性分析发现，血浆犬尿氨酸水平与心室重构指标密切相关。接着，作者又招募了44人的非重叠的确认队列，通过UHPC-MS/MS定量检测其血浆犬尿氨酸水平，发现poLV组犬尿氨酸水平的确明显高于对照组，且犬尿氨酸水平与舒张末期左室后壁厚度Z值(LVPWd Z)、左心室质量指数(LVMI)、相对心室厚度(RWT)、左心射血分数(LVEF%)显著相关。

为了验证儿童群体中的结果，并进一步探究机制，作者构建了新生小鼠升主动脉环缩模型(nAAC)，在小鼠出生一天内进行升主动脉环缩手术模拟儿童先天性左心室流出道狭窄及左心压力负荷下心室重构。非靶向代谢组学及UHPC-MS/MS均再次验证了nAAC小鼠血浆中高含量的犬尿氨酸，并与小鼠心室重构指标密切关联。细胞实验运用小鼠原代心肌细胞、小鼠原代心肌成纤维细胞、人诱导多能干细胞分化的心肌细胞、人心肌成纤维细胞验证了犬尿氨酸是通过激活芳烃受体(AHR)来上调肥大和纤维化相关基因，从而影响心肌细胞和心脏成纤维细胞心室重构表型。进一步在动物实验中构建了AHR敲除小鼠(AHR^-/-)，证实犬尿氨酸-AHR轴在幼鼠压力负荷下心室重构进程中影响肥大与纤维化的双重作用。

接下来，作者将该机制的验证回归儿童群体，在研究过程中收集了四例因左心室流出道梗阻需外科切除的左心室心肌样本。根据患儿血浆犬尿氨酸水平分为轻度升高组(mKyn组，小于cutoff值)和重度升高组(hKyn组，大于cutoff值)。通过单细胞核测序发现，hKyn组患者心肌组织中，在肥大心肌细胞亚群和活化的成纤维细胞亚群中均高表达AHR下游心室重构相关基因。

犬尿氨酸的产生来自色氨酸代谢，后者与肠道微生物群密切相关。因此，研究者怀疑疾病组过高的血浆犬尿氨酸水平来自肠道菌群。作者通过超声检查和病理检测在nAAC小鼠中发现了腹部主动脉和肠系膜动脉的血流量减少，结肠的粘膜萎缩、上皮中断和肠绒毛稀疏。IDO/TDO比率在nAAC结肠中的表达较高，表明nAAC肠道中犬尿氨酸的过量产生。肠道屏障的完整性指标Occludin在nAAC结肠中显著降低，表明可能存在的代谢产物泄漏。接着，运用16S RNA测序证实了nAAC小鼠存在肠道菌群微生态失调。

最后，作者使用无菌(GF)小鼠模型来验证肠道菌群-犬尿氨酸假说。对年龄和性别匹配的GF小鼠进行了nAAC粪便微生物移植(FMT)，发现虽然移植假手术组小鼠粪便后GF小鼠血浆Kyn也增加，但移植nAAC肠道微生物群的GF小鼠血浆中的Kyn水平显著更高。于是，作者认为干预肠道菌群可降低nAAC小鼠血浆犬尿氨酸水平。作者对补充特定益生菌种的nAAC小鼠做了宏基因组学研究，发现补充益生菌可重塑肠道菌群结构，进一步UHPC-MS/MS显示补充益生菌可有效降低nAAC小鼠血浆犬尿氨酸水平。此外，在动物模型中验证了补充益生菌可有效改善犬尿氨酸-AHR轴下游重构指标，减轻nAAC小鼠心室重构。

综上所述，该研究对儿童样本和小鼠模型进行了一项多组学研究，发现一种与幼年左心室重构相关的血浆代谢产物犬尿氨酸，并通过肠道微生物-心脏通讯影响疾病进程。此外，还评估了补充特定益生菌的心脏保护作用，为儿童群体中干预肠道菌群预防心室重构提供了有效证据。结合犬尿氨酸作为一种生物标志物，该研究可能有助于预测早期儿童心室重构，这时可及时应用益生菌来预防心力衰竭并改善预后。

该论文通讯作者为上海儿童医学中心心胸外科及小儿先心病研究所何晓敏医生，共同通讯作者为该院张浩教授和郑景浩教授。上海儿童医学中心心胸外科博士研究生石博中为第一作者，张晓阳医生以及复旦大学附属儿科医院宋治莹博士为共同第一作者。该研究受到国家自然科学基金、上海市自然科学基金、申康发展中心等课题的共同资助。

原文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adg7417