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Science | 代谢组学研究揭示正常心脏和衰竭心脏中的燃料使用的关键特征

心脏衰竭是导致死亡的一个重要原因,主要因为心脏无法正常利用血液循环中的营养物质来满足代谢需求,导致“引擎熄火”。充分了解心脏在心衰及非心衰下的营养物质利用情况对指导心衰患者合理治疗具有十分重要的意义。

2020年10月,美国宾夕法尼亚大学心血管研究所的Danielle Murashige团队在《Science》(IF=41.8)上发表了题为"Comprehensive quantification of fuel use by the failing and nonfailing human heart"的研究文章,该篇文章对23位心衰患者及87位非心力衰竭患者桡动脉、冠状窦和股静脉的血液进行代谢组学研究,揭示了277种代谢物(包括所有主要营养素)在通过人类心脏和腿部时的摄取和释放情况。

研究材料:心衰患者(n=23)和非心衰患者(n=87)的桡动脉、冠状窦和股静脉血液样本

技术方法:代谢组学

实验路线图:

研究结果

1、心脏和腿部对营养代谢物的吸收和释放情况

作者通过靶向代谢组学(600种营养代谢物)分析110名心力衰竭患者及其对照者的桡动脉、冠状窦和股静脉血血浆样本,一共检测到227种营养代谢物。与动脉血血浆代谢物比较发现腿部吸收或释放117个代谢物,心脏吸收或释放65个代谢物。其中酮(ketones)、乙酸盐(acetate)和谷氨酸(glutamate)在心脏和腿部都有大量的摄取,而游离脂肪酸(FFA)在心脏消耗较高,腿部主要吸收饱和脂肪酸并释放不饱和脂肪酸。同时,心脏分泌大部分的必需氨基酸,表明了心脏中的蛋白水解活性较高。

冠状窦和股静脉血血浆中代谢物与动脉血中的差异情况

2、氮分析揭示心脏分泌的氨基酸来源蛋白质水解

氮分析显示心脏中的游离氨基酸从循环中吸收的为20.3µM,从蛋白质水解的氨基酸为77.0µM,释放到血液循环的氨基酸为51.7µM。说明心脏中的游离氨基酸只有少量来源血液循环,大部分来自心肌蛋白质水解释放。

心脏血血浆中的氮碳分析

3、心衰患者心肌底物的利用情况分析

作者对比分析了射血分数保留型心衰和射血分数减少型心衰患者心脏中代谢物对耗氧量和ATP产生的贡献情况。所测的代谢物占耗氧量的60%左右,另外40%可反映心脏消耗脂蛋白及白蛋白衍生FAs。同时,作者分析了23例射血分数小于40的患者,射血分数减少型患者酮的消耗量增加了三倍,乳酸消耗增加近一倍,氨基酸产生的氮的净释放率也增加了两倍,FFAs的利用整体被抑制。

代谢物对心脏耗氧量和ATP产生的贡献值

4、心脏吸收的醋酸盐,酮和谷氨酸量主要取决于血液循环中的浓度

为深入了解营养素选择的因素,作者分析了血液中代谢物浓度与其作为营养素摄取使用量的相关性,发现醋酸盐(acetate), 3-羟基丁酸盐(3-hydroxybutyrate)和谷氨酸盐(glutamate)的吸收与心脏和腿部血液中的浓度呈正比。

心脏对醋酸盐、酮和谷氨酸的摄取量与浓度相关性分析

小编小结

本研究通过代谢组学检测110例患者禁食期间非衰竭心脏和衰竭心脏中277种循环代谢物的吸收和分泌情况。FAs是心脏主要的能量来源,酮在心脏的摄取量也非常高,尤其心衰患者摄取更多,酮的摄入被认为对心力衰竭具有保护作用。同时心衰患者心脏蛋白水解率较非心衰下更高,但具体意义还不明确。整体来说,该研究结果揭示了心脏利用血液循环中能量物质的整体情况,为理解异常的心脏代谢疾病提供了数据基础。

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