英文标题：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

中文标题：葡萄糖依赖性促胰岛素多肽/胰高血糖素样肽1受体激动剂替西帕肽促进支链氨基酸分解代谢，预防非糖尿病小鼠心肌梗死

发表期刊：Cardiovascular Research

影响因子：13.3

客户单位：武汉大学人民医院

百趣提供服务：新一代代谢组学NGM 2 Pro

研究背景

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)可导致心功能障碍和死亡，其机制涉及炎症、纤维化和血管生成，最终引发心肌重构和心衰(Heart Failure, HF)。目前，葡萄糖依赖性胰岛素促进多肽受体激动剂(Glucose-dependent Insulinotropic Polypeptide Receptor Agonists, GIPRAs)和胰高血糖素样肽1受体激动剂(Glucagon-Like Peptide 1 Receptor Agonists, GLP-1RAs)在2型糖尿病(Type 2 Diabetes Mellitus, T2DM)患者中显示出心血管益处，但仍有部分患者未达治疗目标。新型药物替西帕肽(Tirzepatide, TZP)在临床研究中表现出良好的降糖和减重效果，且与代谢途径相关。新证据表明，支链氨基酸(Branched Chain Amino Acid, BCAA)分解代谢缺陷与许多代谢性疾病相关，包括肥胖、糖尿病、心脏疾病和动脉粥样硬化。在肥胖小鼠中，TZP起增强胰岛素敏感性的作用与脂肪组织中葡萄糖、脂质和支链氨基酸氧化相关的代谢通路有关。在生理条件下，心脏中的三磷酸腺苷(ATP)生成主要依赖脂肪酸氧化和葡萄糖氧化，同时也有酮体和氨基酸等替代底物的参与。在长时间缺血事件中，心脏会经历代谢适应，导致心脏代谢重塑以及结构和功能改变 。然而，TZP对心肌梗死后小鼠代谢变化及其机制尚不明确。本研究通过心肌梗死手术诱导小鼠心肌重塑，发现TZP可改善心肌梗死小鼠的BCAA分解代谢缺陷，发挥心脏保护作用，并与低BCAA饮食协同减轻非糖尿病小鼠心肌梗死后的心功能障碍。

技术路线

研究结果

1、TZP对心肌梗死小鼠的疗效和安全性评估

以12周龄非糖尿病C57BL/6J小鼠为实验对象，观察TZP对正常和心肌梗死小鼠体重、能量代谢及心肌损伤的影响。结果显示，与对照组相比，TZP治疗的假手术和心肌梗死小鼠体重增加略有减少（图1A），且MI-TZP组心肌损伤标志物心肌肌钙蛋白I(cTnT)和肌酸激酶同工酶-MB(CK-MB)表达下降（图1B-C），表明TZP减轻了心肌梗死引起的心肌损伤。此外，TZP对小鼠的正常空腹血糖、总胆固醇和甘油三酯水平无显著影响（图1D-F）。这些数据表明，TZP在不影响正常血糖和血脂水平的情况下，可轻微降低心肌梗死小鼠体重并减轻心肌损伤。

图1. TZP对心肌梗死小鼠的疗效和安全性

2、TZP可改善心功能障碍，减轻心肌梗死后心脏重构

接下来研究者评估了TZP对心肌梗死后心功能的潜在影响。生存分析显示，与MI-veh组相比，MI-TZP组小鼠长期生存显著提高，尤其在心肌梗死后第一周（图2A）。尸检和Masson染色表明，MI后7天内主要死亡原因是心脏破裂，MI-TZP组心脏破裂发生率显著降低（图2B）。此外，MI-TZP组肺水肿发生率减轻（图2C），肺重量变化与之相符。研究还发现，TZP减轻了心肌梗死后的心肌肥厚，降低了心肌肥厚标志物BNP和β-MHC的表达，改善了心肌细胞肥大。超声心动图评估显示，TZP显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数(LVEF)，降低了收缩末期容积(ESV)和左心室收缩末期内径(LVIDs)，表明其可恢复左室收缩功能并减轻左室扩张（图2D）。但TZP对假手术组心功能无影响（图2E-G）。此外，心肌梗死后3天的TTC染色显示TZP治疗减少了心肌梗死面积（图2H-I）。这些结果表明，TZP可提高心肌梗死小鼠的长期生存率并改善心功能障碍。

图2. TZP可改善心功能障碍，减轻心肌梗死后心脏重构

3、TZP通过减轻心肌坏死和促进心肌梗死后早期纤维化修复来减轻心肌破裂

心肌梗死后的修复反应分为炎症、增殖和成熟三个阶段。研究发现，TZP可减轻心肌梗死后的心肌坏死和促进早期纤维化修复。H&E染色显示，MI-TZP小鼠在心肌梗死后7天的坏死面积显著小于MI-veh小鼠，但28天时差异不显著（图3A-B）。凋亡标志物mRNA表达也表明TZP在心肌梗死后7天显著减少了心肌坏死。在增殖阶段，马松三色染色和胶原I mRNA分析显示，MI-TZP小鼠在心肌梗死后7天和28天的胶原合成显著增加（图3C-D）。免疫荧光分析表明，MI-TZP组在心肌梗死后7天的胶原阳性面积高于MI组。免疫组化染色显示，TZP在心肌梗死后7天促进了肌成纤维细胞的产生，但在7-28天的瘢痕成熟阶段无效（图3E-F）。这些结果表明，TZP通过减轻心肌坏死和促进早期纤维化修复，减少了心肌破裂的发生。

图3. TZP通过减轻心肌坏死和促进心肌梗死后早期纤维化修复来减轻心脏破裂

4、TZP减轻心肌梗死组织炎症

心肌梗死后，炎症细胞浸润从第1天开始，至第7天达到高峰。巨噬细胞和中性粒细胞是早期清除坏死碎片的关键细胞，但它们释放的炎症介质会加重心肌损伤。研究发现，TZP可减轻心肌梗死后的炎症反应。免疫组化染色显示，心肌梗死后7天，TZP减少了梗死区和边界区的MPO+中性粒细胞和Mac3+巨噬细胞浸润（图4A-B, 4D-E）。流式细胞术分析表明，心肌梗死后3天，TZP轻微降低了心肌组织中中性粒细胞和巨噬细胞的浸润（图4C-F）。Western blotting和mRNA分析显示，TZP下调了炎症标志物TNFα和CD68的蛋白表达，减少了炎症细胞因子（如白细胞介素-1β、TNFα和MCP-1）的表达（图4G-H）。这些结果表明，TZP可减轻心肌梗死后的炎症和心脏损伤。

图4. TZP减轻心肌梗死组织炎症

5、TZP促进心肌梗死后BCAA分解代谢途径

先前研究表明TZP与心脏代谢相关，随后对心肌梗死后7天的小鼠心脏进行非靶标代谢组学分析，发现TZP治疗的心肌梗死小鼠显示出显著的代谢重编程（图5A）。与MI-veh小鼠相比，TZP处理的心脏中有2732种代谢物差异表达，其中约42%上调（图5B）。KEGG途径分析显示，TZP与缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸降解途径密切相关，显著增加了支链氨基酸的降解（图5C）。进一步分析发现，BCAT2、BCKDHA、ACAD8等酶的基因表达在MI和TZP-MI组之间存在差异，其中BCKDHA在TZP处理后显著上调（图5E）。因此，TZP通过调节关键酶BCKDHA的表达来促进BCAA的降解。

图5. TZP促进心肌梗死后BCAA分解代谢途径

6、TZP通过促进BCKDHA激活来促进BCAA分解代谢

以亮氨酸为例（图6A），BCAA经BCAT转化为α-酮酸，再由BCKDHA分解为异戊酰辅酶A进入TCA循环供能。分子对接显示TZP可与BCKDHA结合，降低其S293位点磷酸化，增强酶活性，促进BCAA分解代谢，抑制BCAA/mTOR信号通路（图6B-I）。此外，TZP减少BDK与BCKDHA的相互作用，可能通过此机制抑制BCKDHA磷酸化。

图6. TZP通过促进BCKDHA激活来促进BCAA分解代谢

7、低支链氨基酸饮食具有心脏保护作用，并与TZP协同作用，可减轻HF

为了研究降低BCAA水平是否可以减轻心肌梗死后的心肌重构，研究人员通过建立低BCAA饮食的小鼠模型来验证这一假设（图7A）。通过低BCAA饮食小鼠模型发现，低BCAA饮食可降低血浆BCAA水平，但对心脏BCAA水平、心脏收缩功能和心脏重量无影响。在心肌梗死小鼠中，低BCAA饮食与TZP协同作用，进一步改善心脏收缩功能（提高LVEF，降低ESV和LVIDs），增强早期纤维化修复，减少炎症反应，减轻心肌肥厚（图7B-E）。这些结果表明低BCAA饮食可改善心肌梗死后的心肌重构，并与TZP发挥协同保护作用。

图7. 低支链氨基酸饮食具有心脏保护作用，并与TZP协同作用，减轻HF

8、低BCAA饮食和TZP协同抑制BCAA积累/mTOR信号通路

低BCAA饮食通过降低血浆BCAA水平，减少了心肌梗死后心脏中BCAA的积累，进而降低了P-BCKDHA/BCKDHA和P-mTOR/mTOR的水平（图7H-K）。此外，低BCAA饮食和TZP均能降低组蛋白 H3K23丙酰化，增强线粒体呼吸，促进线粒体氧化磷酸化（图7L-M）。它们还改善了心肌梗死后受损的胰岛素信号通路和葡萄糖耐量。综上所述，低BCAA饮食和TZP在改善心肌梗死后心脏功能方面具有协同作用，可能通过促进BCAA分解代谢来增强心脏保护效果。

研究结论

本研究探讨了TZP对心肌梗死后心衰的保护作用，发现TZP通过调节BCAA代谢，降低心脏中BCAA积累，抑制mTOR通路，减轻心肌损伤，促进纤维化修复，改善心脏功能。低BCAA饮食与TZP协同作用，进一步增强心脏保护效果。研究还表明，TZP改善胰岛素信号通路和葡萄糖耐量，且对非糖尿病小鼠安全。这些发现为TZP作为心肌梗死后心衰治疗药物提供了实验依据。

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