毛庆祥教授:代谢重编程与危重症患者心血管功能保护

Hollenberg SM等人在综述中系统探讨了脓毒症心肌病的定义、流行病学、诊断与病理生理机制。脓毒症引起的心脏功能障碍通常称为脓毒症诱发性心肌病，该病尚无统一的诊断标准，多数患者表现为心室扩张、心肌收缩力减弱以及左/右心室功能障碍，且对容量复苏反应降低。研究显示，约40%~50%的脓毒症患者出现心肌抑制，7%发生心力衰竭，而脓毒性休克合并心功能障碍患者的死亡率高达70%~90%。其发病机制主要包括钙离子稳态异常、一氧化氮（NO）合成障碍、线粒体功能异常以及炎症反应。当前治疗策略以容量复苏、血管活性药物（如去甲肾上腺素）、正性肌力支持（如多巴酚丁胺）及β受体阻滞剂为主，但治疗效果仍不理想（Chest，2019；Nat Rev Cardiol，2021）。

笔者研究团队联合院内多个科室，应用血清非靶向代谢组学分析结合机器学习算法，对脓毒症患者与健康人群的血清样本进行研究，来识别脓毒症诊断及预后密切相关的差异表达代谢物（DEM）。研究结果显示，脓毒症患者的DEM中，脂质及类脂分子占比最高，提示脂质代谢重编程可能在脓毒症的发生与进展中发挥关键作用。在此基础上，团队进一步对脓毒症大鼠模型开展代谢组学研究，发现其在糖代谢和脂质代谢方面存在显著异常，包括β-氧化减少、脂质积聚、糖酵解增强以及丙二酰辅酶A（malonyl-CoA）水平升高。

基于上述研究，笔者团队发现丙二酰CoA在脓毒症患者与动物实验的心肌细胞中均出现了显著变化，对此提出疑问：丙二酰CoA升高对脓毒症心肌损伤中有何影响？Zou L等人在2023年发表于Aging Dis的综述指出，丙二酰CoA作为底物可介导赖氨酸残基丙二酰化修饰，从而改变蛋白质构象与功能，在多种代谢和应激反应中发挥重要调控作用，已被证明与炎症、2型糖尿病及血管生成紊乱等密切相关。

笔者团队为明确丙二酰CoA与心肌损伤的关联，后续开展的研究发现，脓毒症患者的血样本中丙二酰CoA水平显著升高，按其升高程度分为高、低两个亚组并分析两组患者的心功能情况。丙二酰CoA水平较高者的射血分数（EF）更低，肌钙蛋白水平明显升高，提示丙二酰CoA升高与心肌损伤密切相关。在动物实验中，给予脓毒症大鼠特异性抑制丙二酰CoA的药物后发现，抑制丙二酰CoA后的大鼠相比脓毒症组心肌收缩力改善、EF提升，存活率显著上升。此外，通过蛋白修饰组学研究发现，脓毒症状态下心肌细胞中多种蛋白丙二酰化修饰显著上调，提示丙二酰CoA水平升高与脓毒症心肌损伤密切相关。

为进一步探索心肌细胞蛋白丙二酰化的作用，笔者团队采用MCC算法筛选发现线粒体外膜的电压依赖性阴离子通道2（VDAC2）是丙二酰化修饰的核心蛋白，其46位赖氨酸（K46）修饰显著上调。相关研究指出，VDAC2是线粒体外膜的重要通道蛋白，参与离子和代谢产物的跨膜转运，是调节线粒体代谢和功能的关键蛋白。研究团队以此构建了调控VDAC2丙二酰化的点突变模型。观察发现，去丙二酰化可使心脏功能得以改善；而模拟VDAC2丙二酰化可显著导致脓毒症相关心功能障碍，且导致线粒体出现内嵴减少、空泡状以及铁死亡的特征改变。

线粒体是细胞内铁代谢的关键场所，在铁死亡过程中伴随亚铁离子（Fe²⁺）累积，通过Fenton反应产生更多活性氧（ROS），形成恶性循环。笔者团队发现，VDAC2丙二酰化可影响VDAC2蛋白N端结构，使其由α-螺旋变为无规则卷曲，从而引起Fe²⁺摄入增加。通过抑制VDAC2丙二酰化可以有效减轻脓毒症心肌细胞铁死亡。

综上系列研究表明：丙二酰CoA通过上调VDAC2丙二酰化修饰，进而介导心肌细胞铁死亡，是脓毒症相关心功能障碍重要机制。为实现干预治疗，团队设计并合成了一种靶向线粒体的纳米材料，可特异性抑制VDAC2丙二酰化。动物实验证实该材料能有效减少心肌细胞铁死亡，改善心功能及器官灌注。然而，该手段仅停留于实验室阶段，缺乏临床研究支持。因此团队现提出将血清丙二酰CoA水平与传统炎症及器官功能指标相结合，构建脓毒症风险评估模型，以辅助判断患者预后、指导个体化治疗策略。

脓毒症患者常出现明显的血管功能障碍，主要表现为血管通透性异常与血管低反应性，是脓毒症的关键发病机制之一。炎症因子介导的血管内皮损伤会导致血管通透性增加，血浆蛋白和液体渗漏至组织间隙，引发组织水肿和器官灌注障碍，导致多器官功能损伤。其次血管对去甲肾上腺素等血管活性物质的反应减弱，血压持续降低，组织低灌注导致患者死亡。

笔者团队在2025年发表于Signal Transduct Target Ther的一项研究中，基于缺血缺氧条件下的大鼠血管平滑肌细胞（VSMC）模型，利用透射电子显微镜、超分辨率显微镜，系统分析了线粒体内嵴的结构和功能变化。研究发现，缺氧状态下的VSMC表现出线粒体内嵴结构紊乱以及线粒体DNA（mtDNA）异常释放增加。进一步探索机制显示，缺氧VSMC中的乳酸堆积可诱导组蛋白乳酸化，从而上调精氨酸酶1（Arg1），重塑线粒体内嵴并促进mtDNA释放，最终引发血管损伤。另有相关研究曾提到，mtDNA通过线粒体外膜的VDAC离开线粒体，故而笔者团队进一步评估了VDAC在缺氧VSMC中的变化。结果表明，乳酸可诱导VDAC1发生K224位点的乳酸化修饰，同样导致了mtDNA释放。

因此笔者对上述系列研究总结认为，乳酸通过组蛋白乳酸化上调Arg1表达以及VDAC1乳酸化共同促进mtDNA释放，激活下游通路，诱导血管功能障碍的发生。基于这一结论，笔者团队构建了负载Arg1 siRNA的血管平滑肌特异性靶向纳米颗粒，通过精准抑制Arg1表达，从而改善线粒体内嵴结构，最终抑制mtDNA释放并减少下游损伤通路的激活。而该策略为靶向线粒体结构修复、改善缺氧相关血管功能障碍提供了新思路，具有潜在的临床转化价值。

调查研究显示，缺血性心脏病是全球范围内导致死亡的主要病因之一，占总死亡人数的约16%。尽管溶栓或血运重建可迅速恢复患者心肌灌注，但仍可能引发严重的心肌缺血再灌注损伤（MIRI）。心脏是全身最耗能的器官，其线粒体含量占细胞体积的30%，正常生理状态下，心肌主要通过线粒体对脂肪酸进行β-氧化，经三羧酸循环产生能量。高度依赖有氧代谢以维持正常收缩功能。然而在缺血或其他病理状态下，能量供给从脂肪酸转变葡萄糖、乳酸等替代底物。

在笔者团队开展的一项检测60例体外循环下行瓣膜置换术患者的心肌损伤标志物及代谢组学的研究中发现，体外循环术后患者的心肌损伤标志物显著升高，而右美托咪定可有效缓解MIRI。进一步分析术后第3天的血清样本发现，缺血再灌注损伤伴随有乳酸水平升高，而术中使用右美托咪定可抑制乳酸生成。动物实验亦证实，右美托咪定可减轻MIRI所致的心肌组织结构与心功能损伤，还能抑制糖酵解，改善线粒体功能，促进氧化磷酸化过程。反之外源性补充乳酸可拮抗右美托咪定对心脏功能及线粒体功能的保护作用。

同时为进一步阐明乳酸在MIRI中对线粒体功能的损害机制，笔者团队在研究中分析识别了三羧酸循环（TCA cycle）的关键酶——苹果酸脱氢酶2（MDH2）。在研究团队建立的MIRI模型中，MDH2的第241位点（K241）存在明显的乳酸化修饰，而右美托咪定组中该位点的乳酸化水平明显下降，该验证结果与上述体外循环术患者的组学研究结果一致。此外，团队同样对MDH2开展线粒体定位分析并构建MDH2的点突变模型，模拟去乳酸化状态。结果显示，去乳酸化可减轻MIRI相关的心肌损伤，提示K241位点乳酸化是导致线粒体功能障碍的机制之一，而右美托咪定可通过下调MDH2的乳酸化修饰水平，提升线粒体氧化磷酸化能力，减轻缺血再灌注引发的组织损伤。

综上，右美托咪定不仅可通过抑制乳酸生成，还能下调MDH2乳酸化修饰，从而改善线粒体功能，在MIRI防治中具有潜在的保护作用。