丙酸血症相关心肌功能障碍的新突破：基于 hiPSC-CMs 的代谢通量分析揭示关键机制

《Cellular and Molecular Life Sciences》：Metabolic flux analysis in hiPSC-CMs reveals insights into cardiac dysfunction in propionic acidemia

为探究丙酸血症（PA）相关心脏疾病的病理机制，研究人员利用人类诱导多能干细胞衍生的心肌细胞（hiPSC-CMs）开展代谢改变研究。结果发现 PA 患者 hiPSC-CMs 存在代谢转换，从脂肪酸氧化转向葡萄糖代谢，这或为 PA 治疗提供新靶点，对理解 PA 心脏并发症意义重大。

　　在医学研究的神秘领域中，丙酸血症（PA）就像一个隐藏在黑暗里的 “神秘杀手”，它是一种常染色体隐性遗传的先天性代谢疾病，由 PCCA 或 PCCB 基因突变引发。全球每 50,000 至 100,000 个活产婴儿中就有 1 例 PA 患者，随着新生儿筛查技术的发展，其确诊率不断提高。PA 患者在婴幼儿时期就可能出现喂养困难、呕吐、肌张力低下等症状，更严重的是，许多患者会发展出威胁生命的心脏功能障碍。然而，尽管这种疾病危害巨大，其相关心脏疾病的病理机制却一直是个未解之谜。

在心脏的能量供应体系里，脂肪酸氧化是最主要的能量来源，就像给心脏这个 “引擎” 提供高级燃料一样。可在 PA 患者的心脏中，这个 “燃料供应系统” 却出现了故障。以往研究发现，PA 患者体内的丙酰辅酶 A（propionyl-CoA）会大量积累，这不仅会影响细胞内的能量代谢，还可能通过多种途径干扰心脏的正常功能。比如，积累的丙酰辅酶 A 会转化为丙酰肉碱，导致细胞内游离肉碱水平下降，影响脂肪酸的运输和氧化。此外，还有研究表明，PA 患者体内的丙酸水平也会升高，可这部分丙酸的来源却不清楚，这一系列问题都亟待解决。

为了揭开 PA 相关心脏疾病的神秘面纱，来自西班牙马德里自治大学（Universidad Autónoma de Madrid）和美国杜克大学（Duke University）等机构的研究人员踏上了探索之旅。他们的研究成果发表在《Cellular and Molecular Life Sciences》杂志上，为我们理解这一疾病带来了新的曙光。

研究人员采用了多种关键技术方法。首先，他们获取了 PA 患者和健康个体的 hiPSC-CMs。通过稳定同位素标记技术，研究人员用带有标记的丙酸（[13C3?]propionate）、葡萄糖（[13C6?]glucose）和棕榈酸（[13C16?]palmitate）作为示踪剂，追踪细胞内的代谢过程。然后，运用液相色谱 - 串联质谱（LC-MS/MS）、气相色谱 - 质谱（GC-MS）等技术，对细胞培养上清和细胞裂解物中的代谢产物进行分析，从而揭示 PA 患者 hiPSC-CMs 的代谢特征。

在代谢特征研究方面，研究人员发现，PA 患者 hiPSC-CMs 中丙酰肉碱（C3 AC）水平显著升高，同时细胞内甲基柠檬酸积累，而中链酰基肉碱水平降低，这表明脂肪酸氧化可能受到了抑制。

对于丙酸和丙酰辅酶 A 代谢，研究人员用[13C3?]propionate 培养细胞后发现，PA 患者 hiPSC-CMs 释放的未标记丙酸是对照组的 9.6 倍，且对[13C3?]propionate 的消耗明显低于对照组，这说明 PCC 缺乏不仅影响丙酰辅酶 A 代谢，还干扰了丙酸代谢。

在葡萄糖代谢研究中，研究人员用[13C6?]glucose 培养细胞，发现 PA 患者 hiPSC-CMs 对[13C6?]glucose 的代谢速率明显高于对照组，糖酵解和三羧酸循环（TCA cycle）中间产物的稳定同位素标记也更高，这表明 PA 患者 hiPSC-CMs 的葡萄糖代谢增强。

此外，研究人员还发现，PA 患者 hiPSC-CMs 中标记乙酸（M2 acetate）和未标记丙酸的分泌增加，这证实了酰基辅酶 A 水解酶的活性，进一步表明细胞通过水解酰基辅酶 A 来调节其水平。而用[13C16?]palmitate 培养细胞后发现，PA 患者 hiPSC-CMs 中脂肪酸氧化相关的代谢产物标记显著降低，这说明 PA 患者 hiPSC-CMs 的脂肪酸氧化减少。

综合上述研究结果，研究人员认为，PA 患者 hiPSC-CMs 存在从脂肪酸氧化到葡萄糖代谢的转换。这种代谢转换可能是由于丙酰辅酶 A 和丙酰肉碱的积累，导致游离肉碱和辅酶 A（CoA）水平下降，从而抑制了脂肪酸氧化。而葡萄糖代谢虽然增强，但它的能量利用效率低于脂肪酸氧化，长期来看，这种代谢转换可能会损害心脏的能量代谢，进而导致心脏功能障碍。

该研究首次利用 PA 患者的 hiPSC-CMs 进行代谢研究，为理解 PA 相关心脏疾病的发病机制提供了重要线索。同时，研究还发现了酰基辅酶 A 水解这一调节丙酰辅酶 A 水平的新机制，为 PA 的治疗提供了潜在的新靶点。不过，研究也存在一定的局限性，比如实验是在体外进行的，无法完全模拟体内复杂的代谢环境，且无法排除其他因素对代谢转换的影响。未来还需要进一步开展体内研究，以更深入地了解 PA 相关心脏疾病的发病机制，为开发更有效的治疗方法奠定基础。