支鏈氨基酸代謝異常在心力衰竭發(fā)生發(fā)展中作用的研究進(jìn)展

趙菲 ，牛小偉 ，劉永銘

(1蘭州大學(xué)第一臨床醫(yī)學(xué)院，蘭州 730000； 2蘭州大學(xué)第一醫(yī)院心血管內(nèi)科，蘭州 730000；3蘭州大學(xué)第一醫(yī)院老年心血管科，甘肅省老年疾病臨床醫(yī)學(xué)研究中心，蘭州 730000)

心力衰竭(簡稱心衰)是各種心臟疾病的嚴(yán)重表現(xiàn)或晚期階段。2003年流行病學(xué)調(diào)查顯示，我國35～74歲成年人心衰患病率為0.9%[1]。隨著心衰患病率的升高，關(guān)于心衰病理生理變化的研究也越來越多。心肌代謝重構(gòu)被視為心臟病理重構(gòu)的重要組成部分，對心肌缺血和心衰的發(fā)生發(fā)展至關(guān)重要[2]。在心肌細(xì)胞中，脂肪酸是產(chǎn)生能量的主要底物，而慢性心衰患者的心肌細(xì)胞利用脂肪酸產(chǎn)能減少[3]。因此，改善衰竭心肌細(xì)胞代謝缺陷可能成為治療心衰的有效方法[4]。

支鏈氨基酸(branched chain amino acids，BCAAs)是人體所需的必要氨基酸之一，包括纈氨酸、亮氨酸和異亮氨酸，是參與細(xì)胞生長和代謝調(diào)節(jié)的重要營養(yǎng)信號[5]。有研究表明，BCAAs代謝異常與多種疾病，如糖尿病、腫瘤及心衰的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。因此，深入理解BCAAs代謝異常原因及其在心力衰竭發(fā)病中的作用，對疾病防治具有重要意義。

1 BCAAs的生理作用

BCAAs是哺乳動物氨基酸的重要組成部分，占大多數(shù)哺乳動物必需氨基酸的35%[6]，因其功能R基團(tuán)包含分支側(cè)鏈而被命名為支鏈氨基酸。BCAAs在體內(nèi)發(fā)揮重要生理功能，是影響代謝的重要信號。BCAAs能夠通過哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin, mTOR)信號通路促進(jìn)蛋白質(zhì)生成，也可以在分解代謝后為三羧酸循環(huán)提供原料氧化供能。除此以外，BCAAs還可通過轉(zhuǎn)化為神經(jīng)遞質(zhì)及激素等重要生物活性物質(zhì)從而發(fā)揮作用[5]。

2 BCAAs的代謝過程

BCAAs分解代謝首先由支鏈氨基酸轉(zhuǎn)氨酶(branched-chain aminotransferase，BCAT)可逆地生成支鏈α酮酸(branched-chain alpha keto acid，BCKA)，然后在支鏈α酮酸脫氫酶(branched-chain alpha ketoacid dehydrogenase，BCKD)復(fù)合物催化下氧化脫羧，不可逆地生成輔酶A進(jìn)入三羧酸循環(huán)徹底氧化供能。BCAT和BCKD復(fù)合物在BCAAs代謝中發(fā)揮著重要作用。BCAT分為BCAT1和BCAT2，主要存在于肌肉、腎臟和心臟中，在肝臟中幾乎無表達(dá)。BCKD介導(dǎo)的反應(yīng)是BCAAs分解代謝途徑中的限速步驟，其活性決定BCAAs及BCKA的總水平。其中BCKD激酶(branched-chain alpha ketoacid dehydrogenasekinase，BDK)和BCKD磷酸酶(branched-chain alpha ketoacid dehydrogenasephosphatase，BDP)可以調(diào)節(jié)BCKD復(fù)合物活性并影響B(tài)CAAs代謝。BCKD復(fù)合物類似于丙酮酸脫氫酶復(fù)合物(pyruvate dehydrogenase complex，PDHc)，二者具有相似的亞基組成和調(diào)控機(jī)制。如同PDHc，BCKD全酶活性由其調(diào)節(jié)亞基E1α的磷酸化狀態(tài)決定。當(dāng)BCAAs水平低時(shí)，E1α被BDK過度磷酸化，從而抑制BCKD活性并保存游離BCAAs。當(dāng)BCAAs水平高時(shí)，E1α被BDP去磷酸化，導(dǎo)致BCKD活化并降低總BCAAs水平。因此，BCKD去磷酸化是其酶激活的關(guān)鍵步驟，BDP可能在BCAAs穩(wěn)態(tài)中起主要作用[2]。

3 BCAAs代謝異常與心衰的關(guān)系

心臟能量代謝改變與心衰的嚴(yán)重程度相關(guān)。然而，發(fā)生在心衰中的能量代謝變化是復(fù)雜的，過去研究主要局限于糖脂代謝，對氨基酸代謝及其在心衰發(fā)病機(jī)制中的作用知之甚少。Ruiz-Canela等[7]的橫斷面研究證實(shí)BCAAs增加心血管疾病風(fēng)險(xiǎn)，其中纈氨酸與亮氨酸水平升高被認(rèn)為是心血管代謝風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)志物，且不受體質(zhì)量因素影響。Uddin等[8]通過對擴(kuò)張型心肌病(dilated cardiomyopathy，DCM)心衰患者和正常人群進(jìn)行對比研究，發(fā)現(xiàn)DCM患者射血分?jǐn)?shù)可從正常人水平降低至(22.3±2.2)%。在心肌活檢時(shí)，DCM患者左心室標(biāo)本中心臟BCAAs水平較正常人顯著升高。

當(dāng)心臟受損時(shí)，BCAAs的代謝也受到一定程度影響。其中BCAAs分解代謝產(chǎn)物BCAT2、BCKD亞基和線粒體基質(zhì)絲氨酸/蘇氨酸蛋白磷酸酶2C家族成員 (protein phosphatase 2C family member，PP2Cm)表達(dá)均降低，而BCKD表達(dá)略有增加。重要的是，受損心臟中BCKA水平也顯著升高[9]。PP2Cm是迄今發(fā)現(xiàn)的唯一內(nèi)源性BDP[10]，在BCAAs氧化過程中負(fù)責(zé)BCKD復(fù)合物的去磷酸化和活化[11]。Lu等[11]的研究表明，PP2Cm在斑馬魚胚胎和成年小鼠的心肌和中樞神經(jīng)系統(tǒng)中均高度表達(dá)。在PP2Cm敲除小鼠中，BCAAs分解代謝障礙，血漿BCAAs含量顯著增加。Sansbury等[12]通過橫向主動脈縮窄(transverse aortic constriction，TAC)小鼠模型，證實(shí)了PP2Cm缺乏小鼠會表現(xiàn)出心衰，BCAAs分解代謝障礙損害小鼠心臟功能，促進(jìn)壓力超負(fù)荷誘導(dǎo)的心肌病。有研究發(fā)現(xiàn)，心臟PP2Cm下調(diào)可能與krüppel樣因子15(krüppel like factor-15, KLF15)有關(guān)[13]。KLF15在調(diào)節(jié)BCAAs分解代謝中發(fā)揮重要作用，是壓力超負(fù)荷誘導(dǎo)BCAAs分解代謝異常的機(jī)制之一[9]。Haldar等[14]的研究表明，在心肌病及主動脈病變的人和小鼠體內(nèi)KLF15表達(dá)降低，KLF15缺乏小鼠可表現(xiàn)出嚴(yán)重心衰。Sun等[9]研究證實(shí)KLF15介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄調(diào)控通過抑制BCAAs分解代謝通路，使心衰小鼠出現(xiàn)心臟代謝改變。 Uddin等[8]在擴(kuò)張型心肌病合并心衰患者的心臟中發(fā)現(xiàn)BCAAs分解代謝途徑受損，BCAAs水平升高，這可能與KLF15介導(dǎo)的BCAT和PP2Cm下調(diào)有關(guān)。這些研究表明，BCAAs分解代謝紊亂導(dǎo)致BCAAs及BCKA等代謝產(chǎn)物堆積，從而促使心衰的發(fā)生發(fā)展。而通過減少代謝產(chǎn)物聚積，促進(jìn)BCAAs分解代謝可以顯著改善心臟功能?；衔?,6-二氯苯并[b]噻吩-2-羧酸( 3,6-dichlorobenzo[b]thiophene-2-carboxylic acid ，BT2)是BDK的一種高度特異性抑制劑，可以在肝臟、肌肉、腎臟及心臟等組織或器官內(nèi)減少BDK表達(dá)，降低BCAAs濃度[15]。Sun等[9]發(fā)現(xiàn)在TAC4周后，BT2處理小鼠保持相對正常的左室射血分?jǐn)?shù)，心室擴(kuò)張較前減少。表明有針對地抑制BCKD、增強(qiáng)BCKA降解，可以對壓力超負(fù)荷的心功能產(chǎn)生保護(hù)作用，并延緩心衰進(jìn)展[16]。Li等[17]研究發(fā)現(xiàn)，外源性補(bǔ)充BCAAs加劇小鼠缺血再灌注損傷，導(dǎo)致小鼠心肌大面積梗死并增加氧化應(yīng)激。而通過BT2處理后，可刺激小鼠體內(nèi)BCAAs分解代謝，縮小梗死面積。這表明BT2促進(jìn)BCAAs分解代謝能夠減輕過量BCAAs造成的不良影響?？偟膩碚f，BT2化合物能夠增強(qiáng)心臟BCAA氧化，改善心衰小鼠的心臟收縮功能[18]。Kitaura等[19]通過對抑制BDK的化合物進(jìn)行評估，并與以往已經(jīng)證實(shí)的BDK抑制劑進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)纈沙坦(血管緊張素Ⅱ 1型受體阻滯劑)作為BDK抑制劑的作用與其他抑制劑相當(dāng)，可作為潛在的新型BDK抑制劑。纈沙坦可以降低大鼠體內(nèi)BCKD復(fù)合物的去磷酸化水平及血漿BCAAs濃度，進(jìn)而增加BCKD活性。BDK抑制劑已被證明可以保護(hù)壓力超負(fù)荷誘導(dǎo)心衰小鼠的心功能，并減輕肥胖小鼠胰島素抵抗。因此，纈沙坦可作為一種有效的BDK抑制劑，成為治療BCAAs分解代謝障礙心衰和代謝性疾病的有效藥物。

4 BCAAs代謝異常導(dǎo)致心功能障礙的作用機(jī)制

盡管BCAAs是重要的能源物質(zhì)，但BCAAs在心臟中僅貢獻(xiàn)105 μmol/L的碳當(dāng)量，不到總碳消耗的5%[4]。因此， BCAAs通過影響三磷酸腺苷產(chǎn)生，從而導(dǎo)致心功能障礙的機(jī)制可能性非常低。近期有研究表明，BCAAs可能會作為信號分子促進(jìn)心功能障礙。亮氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)是通過L型氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)載體(L-type amino acid transporters，LAT) 完成的。LAT是一種非Na+依賴性轉(zhuǎn)運(yùn)載體,負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)運(yùn)中性氨基酸、支鏈氨基酸及芳香族氨基酸等。 LAT分為LAT1～LAT4。LAT1和LAT2也稱為溶質(zhì)載體(solute carrier，Slc) 7(Slc7a5、Slc7a8)，而LAT3和LAT4則稱為Slc43(Slc43a1、Slc43a2)。與LAT3和LAT4相比，LAT1和LAT2對亮氨酸、異亮氨酸、纈氨酸、苯丙氨酸和蛋氨酸更具特異性。亮氨酸通過LAT轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞膜上的過程依賴于谷氨酰胺。首先，由谷氨酰胺轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(Slc1a5)將谷氨酰胺轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞內(nèi)；其次，Slc7a5和Slc3a2復(fù)合物根據(jù)胞內(nèi)谷氨酰胺濃度，調(diào)節(jié)細(xì)胞外亮氨酸的攝取[20]。亮氨酸是mTOR信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的高效激活劑[21]，mTOR復(fù)合物在心臟中主要有mTOR復(fù)合物1和mTOR復(fù)合物2兩種亞型。亮氨酸進(jìn)入細(xì)胞后主要通過促進(jìn)mTOR復(fù)合物1下游靶標(biāo)蛋白真核起始因子4E結(jié)合蛋白和p70核糖體S6激酶1磷酸化發(fā)揮作用[5]。

雷帕霉素是一種mTOR變構(gòu)抑制劑，對心衰進(jìn)展存在一定影響。Wang等[16]通過冠狀動脈結(jié)扎小鼠構(gòu)建心肌梗死模型，發(fā)現(xiàn)小鼠BCAAs分解代謝受損，心肌BCAAs蓄積。而外源性補(bǔ)充BCAAs會增加心臟BCAAs水平，進(jìn)而激活心肌mTOR信號，加重心功能障礙。雷帕霉素是目前世界上最新的強(qiáng)效免疫抑制劑，臨床上用于器官移植的抗排斥反應(yīng)和自身免疫性疾病的治療。長期口服雷帕霉素會產(chǎn)生許多副作用，包括頭痛及多關(guān)節(jié)痛等，而骨髓抑制、高脂血癥和過度免疫抑制仍然是主要問題[22]。近年來，有研究發(fā)現(xiàn)mTOR抑制劑在心血管疾病中發(fā)揮一定作用，但mTOR抑制劑的嚴(yán)重副反應(yīng)仍使相關(guān)研究局限于動物實(shí)驗(yàn)中。因此，臨床需要開展更多的基于大量人群的研究，找到適用于治療心血管疾病的安全性抑制劑[23]。

5 結(jié) 論

BCAAs及其代謝產(chǎn)物可作為信號分子，在心衰發(fā)生發(fā)展中起重要作用?，F(xiàn)有研究證明，增強(qiáng)BCAAs分解代謝是治療心衰的重要靶點(diǎn)。其中，開發(fā)BDK及mTOR抑制劑是改善心臟BCAAs代謝異常、改善心臟功能障礙的有效手段之一。臨床上如何更準(zhǔn)確地評價(jià)BCAAs與心功能的確切關(guān)系、BCAAs與心衰治療效果及預(yù)后的關(guān)系，尚需多中心、大規(guī)模的臨床試驗(yàn)及臨床分析支持。因此，進(jìn)一步闡明BCAAs在心衰中的作用機(jī)制將提供新的預(yù)防和治療策略。