科研 | Science：全面评估人类衰竭和非衰竭心脏对能量的利用情况
编译：飞檐走壁，编辑：Emma、江舜尧。
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心脏消耗循环养分以促进终生收缩，但缺乏对人类心脏燃料使用的全面了解。我们使用代谢组学研究了110例有或没有心力衰竭的患者的动脉、冠状窦和股静脉的血液，以定量分析代谢物的摄取和释放。人的心脏和腿部有277种代谢物，包括所有主要营养素，心脏主要消耗脂肪酸，而葡萄糖很少，其分泌谷氨酰胺和其他富含氮的氨基酸，表明活性蛋白分解，其降解速率约为腿的10倍；并释放出三羧酸循环的中间体，从而平衡了氨基酸分解引起的动脉粥样硬化。心脏和腿部消耗的酮，谷氨酸和乙酸盐与循环水平成正比，表明可用性是这些底物消耗的关键驱动力，衰竭的心脏消耗更多的酮和乳酸，并且蛋白水解率更高。这些数据提供了人类心脏燃料使用的全面和定量的信息。
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实验设计
实验结果
心脏几乎通过线粒体中的氧化磷酸化产生大量的5'-三磷酸腺苷（ATP）。因此，非常需要持续供应氧气和营养。心脏衰竭是导致世界范围内死亡的主要原因，而心脏衰竭通常被描述为“燃料不足的引擎”，无法利用循环养分来满足其代谢需求。因此，了解心脏在健康和疾病期间如何处理燃料是合理开发新的心力衰竭疗法的基础。
图1. 人类的A-V代谢组学揭示了心脏和腿部不同的燃料分布
A，同时从the动脉（A）、冠状窦（CS）和股静脉（FV）采集血液，并测定代谢物的摄取或释放。B和C，FV或CS相对于A的代谢物丰度的火山图。P值来自一样本Wilcoxon检验，然后由Benjamini-Hochberg校正。D和E，以最大到最小平均绝对碳吸收或释放的顺序显示了腿和心脏的净A-V碳平衡。
我们通过同时采样桡动脉，冠状窦和股静脉的血液来测量跨人心脏和腿部的循环代谢产物的动静脉（A-V）梯度（图1A）。我们纳入了87例行心房纤颤的经皮经皮导管消融术，左心室射血分数（LVEF）> 50％，无心力衰竭史的患者。患者特征代表了美国中年人群。使用液相色谱-质谱法测定了总共600种已知代谢物，其中277种在血浆中被可靠地检测到。通过比较动脉（CA）中这些代谢物与静脉的丰度（冠脉窦和股骨静脉的CCS或CFV分别用于冠状鼻窦和股骨静脉）（图1A），我们确定了117个腿部代谢物和65个心脏代谢物的统计显著吸收或释放（图1B）。我们的CFV/CA数据确认了所有10种代谢物均在没有麻醉的情况下被人体吸收或释放。我们进一步确定了另外107种代谢物，这些代谢物在整个人的腿部均发生了显著变化。
表S3列出了丰富的高周转燃料的心脏和腿特异性摄取和释放。这两个器官都有效地提取了酮、乙酸盐和谷氨酸（最高约67％）。尽管腿部吸收了葡萄糖，但与先前的报道不同，心脏没有净的平均葡萄糖吸收，并且心脏的葡萄糖吸收与血浆胰岛素或胰岛素抵抗无关，可能反映了禁食患者状态。心脏消耗了所有游离脂肪酸（FFA）种类，而腿主要吸收了饱和FFA，释放了不饱和FFA，这很可能来自皮下脂肪库。心脏分泌了大多数必需氨基酸，表明蛋白水解活跃。
为了量化每种代谢物对碳平衡的净贡献，我们测量了最丰富的代谢物的绝对动脉浓度，其余部分使用了公开报告的浓度。从每种代谢物的浓度和分子式，我们计算出每种代谢物的绝对碳吸收或排泄，以每升通过心脏或腿部的血液中的微摩尔数来衡量（图1）。这条腿获得了约90％的碳，为葡萄糖和酮体，而释放出的大部分碳为FFA，乳酸和氨基酸（图1）。释放的FFA中约有一半是亚油酸酯（C18：2），一种丰富的必需FFA，可用于脂肪库的主动脂解。许多释放的氨基酸也是必需的，反映了肌肉蛋白水解。碳的总释放量比摄取量高15％，这表明禁食期间腿质量净损失。
与腿相比，心脏获得大多数来自FFA的碳（图1E），用于> 70%的碳（1750 mM）从循环~99mM FFA，类似于以前测量11C-棕榈酸盐和正电子发射断层扫描等效至~1.4μmol/min/g的FFA衍生碳。该比率可能被低估了，因为当从脂蛋白颗粒中释放出来时FFA也会在静脉血浆中积聚。FA碳中只有可忽略的部分被转化为酰基肉碱并被分泌（< 0.25 mM碳，~0.01％），表明FFA几乎被完全氧化。酮约占心肌碳吸收的15％（图1E）。乙酸盐是肠道菌群产生的最丰富的短链FA，约占心肌碳吸收的2％，并被心脏强烈吸收（图1E）。乙酸盐可通过组蛋白乙酰化用作燃料和表观遗传修饰剂。
图2. 心脏氮的释放揭示了蛋白水解过程中的净氨基酸释放
A，计算的心脏游离氨基酸（红色表示循环摄取，灰色表示从蛋白水解中释放）和释放的氨基酸（蓝色表示）的心脏来源。阴影与分泌的氨基酸摄取量成正比。B，从氨基酸消耗中计算得出的抗动脉粥样硬化碳输入量超过了以三氯乙酸循环中间体形式释放的碳。无法确定乳酸通过丙酮酸羧化酶（PC）产生的抗衰老作用（虚线）。排除了非抗衰老氨基酸（亮氨酸）和在心脏中未分解代谢的氨基酸（组氨酸、苯丙氨酸和酪氨酸）。PDH，丙酮酸脱氢酶。
心脏分泌了大多数氨基酸（图1E），有助于形成108mM的较大净负氮平衡（P< 0.0001），并表明蛋白水解活跃。谷氨酰胺和丙氨酸是分泌最多的氨基酸。谷氨酰胺的释放几乎与谷氨酸的吸收等摩尔，这表明谷氨酰胺主动交换为谷氨酰胺以去除氮。摄取乳酸可能支持通过丙酮酸氨基转移以丙氨酸形式释放氮。氮含量较高的氨基酸（即氮与碳原子的比率）被大量排泄，进一步支持了心脏主动释放氮作为氨基酸的观点。我们计算出81mM氨基酸当量（AA-Eqs）的净心脏蛋白水解率（图2A），即0.06mmol AA-Eqs/min/g心脏组织。相比之下，腿部的蛋白水解速率为0.006mmol AA-Eqs/min/g。因此，心脏蛋白水解发生在腿部速率的约10倍，相当于12小时内约1.5g的蛋白质，或心脏蛋白质的约2％。因此，人的心脏蛋白在空腹喂养周期中被积极消耗和产生。
支链氨基酸分解代谢的抑制与心力衰竭的适应不良重塑有关。我们计算出，BCAAs贡献了105mM的碳当量至总碳使用量，或仅占总碳燃烧的5％，与小鼠测得的相似。进一步降低BCAA因此，衰竭心脏的分解代谢只会对总体可利用的碳燃烧产生很小的影响，这表明BCAA通过其他机制影响心力衰竭。组氨酸是分泌最多的必需氨基酸（图2A），表明被降解的蛋白质富含组氨酸。肌红蛋白占胞质心脏蛋白的5％至10％，可用于基线心脏功能，并且与大多数只含1至2％组氨酸的蛋白质相比，它由6％组氨酸组成。因此，除了携带氧气之外，肌红蛋白还可以充当碳的储库。其他心脏蛋白也可能起作用，例如通过白蛋白或其他血浆蛋白的巨胞饮作用可能是心脏外源性来源。矛盾的是，尽管ATP生成高度依赖三羧酸（TCA）循环，心脏和腿部释放三氯乙酸循环中间体（图1）。组织可以输出柠檬酸，一种FA氧化和糖酵解的变构抑制剂，以防止过度抑制这些途径。TCA中间分泌物也可能代表清除氨基酸分解产生的过量TCA循环四碳单元的方法。我们从氨基酸分解中计算出140mM（0.1mmol/min/g）的动脉粥样硬化碳通量（图2B），远远超过了约50mM（0.04mmol/min/g）的TCA中间体向循环流失。由于我们无法量化丙酮酸羧化酶的作用，因此这可能会低估了总的动脉粥样硬化。这表明TCA四碳单元的主动内部分解代谢，例如，通过苹果酶。
图3. 保留射血分数与降低射血分数的患者使用心肌底物的比较
A，计算得出的特定底物对总心脏耗氧量的贡献。每条上方显示了平均测得的心肌O2消耗量（DO2）。B，射血分数（pEF）相对于射血分数（rEF）降低的患者对心脏ATP产生的底物特异性贡献。C，DOF相对于rEF的每种指示底物类别的分解代谢占总DO2的比例。D，pEF和rEF患者的氨基酸净氮释放。
计算所有代谢物对心脏耗氧量和ATP的贡献生产（图3）暗示心脏3.0mM血浆氧气的要求，相当于血浆到血液体积校正后全血的2.0mM。测量的耗氧量为3.5mM（~9.5 ml O2/g/min）。因此，~ 60%的测量氧气消耗由测量的代谢物A-V梯度计算（图3A）。这是一个低估，因为它不从脂蛋白中解放出来的消耗量。因此，剩余的~40%的耗氧量可能反映了脂蛋白衍生的法（LPFAs），是燃烧的心脏和那些取代白素衍生的FFA燃烧心脏。与这一点一致，下落不明的氧气消耗与测量的FA吸收。其他次要来源可能包括内部燃料，如作为甘油三酸酯，FFA从心外膜脂肪组织中释放出来，或不产生ATP的耗氧量（例如，由黄嘌呤氧化酶将次黄嘌呤转化为尿酸）。禁食期间，心脏中不发生糖原燃烧。假设约35％的LpFA释放到冠状窦中，我们计算出约57％的心脏ATP产生来自FFA，6.4％来自酮，4.6％来自氨基酸，2.8％来自乳酸和~28％来自LpFA（来自FA的总数约占85％）（图3B）。
我们以类似的方式评估了23例诊断为LVEF< 40的心肌病患者。除了LVEF降低外，队列与保留LVEF的队列相似。左室射血分数降低的患者的酮消耗量几乎增加了三倍（16.4比6.4％），乳酸消耗量增加了一倍（5.0比2.8％），以及氨基酸衍生的净氮释放率增加了一倍（212对106mM），即蛋白水解（图3）。FFA的整体使用受到抑制。血浆中长链酰基肉碱的增加与心力衰竭有关，但心脏衰竭的组织中酰基肉碱的含量减少。我们检测到衰竭心脏的酰基肉碱分泌没有增加，表明（i）心脏衰竭中FA消耗的任何假定缺陷发生在酰基肉碱生产的上游，（ii）心脏以外的组织增加了全身性酰基肉碱的生产。
图4. 醋酸盐、酮和谷氨酸盐的心脏摄取量主要取决于pEF和rEF中的循环浓度
A，线性回归分析表明A-V代谢物梯度（CV-CA）与所示代谢物的动脉浓度之间的关系。B，CA与心脏摄取特定代谢物后的比较调整醋酸盐萃取（CCS -CA）比例。C，CA与腿部摄取指定代谢物的关系。
为了深入了解影响燃料选择的因素，我们寻找了代谢物浓度与其用作燃料之间的相关性（图4A），分馏不同代谢物之间以及分馏与临床或临床之间的相关性。乙酸盐、3-羟基丁酸盐和谷氨酸的摄入量（而不是葡萄糖，乳酸盐或FFA的摄入量）与心脏和腿部的循环浓度成正比（图4），这表明这三种燃料的消耗是由底物的可用性驱动的，不需要公开的法规。此外，它们的吸收分数彼此之间有很强的相关性，表明这取决于组织灌注。在LVEF降低的患者中，所有三种燃料均被提取心脏的血流量增加约20％，这与血液通过心脏血管的更长传输时间相一致，从而增加了摄取。因此，心力衰竭中酮和谷氨酸的消耗增加反映了较高的血浆浓度和较低的心脏灌注速率，这与燃烧这些燃料的心脏能力的内在变化相反。
结论
总而言之，我们测量了禁食期间人的正常心脏和衰竭心脏对277种循环代谢产物的摄取和分泌。脂肪酸是主要的心脏燃料来源。出乎意料的是，我们观察到很少的葡萄糖摄取，这可能是对禁食或全身麻醉的反应，这是我们的局限性。由临床必要性进行的研究。酮的摄入量很大，在心力衰竭时加剧。有人建议食用酮对心力衰竭具有保护作用，我们的数据表明，将酮输送到心脏应该很容易实现。尽管有循环氨基酸的存在，但有证据显示心脏蛋白水解作用，这在心力衰竭中明显加重。这种在心力衰竭中增加的蛋白水解作用是适应性的还是适应不良的，将需要进一步的研究。本数据提供了在跳动的人心脏中使用燃料的框架，以及了解疾病中异常心脏代谢的基础。
https://science.sciencemag.org/content/370/6514/364