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                  案例分享

                  Eur Respir J丨脂類和酮類在PAH患者中以犧牲血糖控制來主導代謝的機理研究

                  發布日期:2020.05.15



                  代謝組學和醫學研究

                  在醫學領域,代謝組學是以研究臨床整體、器官、組織及細胞的內源性代謝物質的代謝途徑及其所受內在或外在因素的影響及隨時間變化規律為目的,通過揭示代謝組整體變化軌跡來反映某種病理生理過程中所發生的一系列生物事件。能夠在基因解析、病理闡述、藥物設計開發、病變標志物篩選、疾病診斷分型和治療效果預測等醫學相關領域發揮顯著作用。

                  應用案例
                  葡萄糖鉗夾技術和代謝組學研究

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                  研究內容簡介

                  肺動脈高壓(PAH)指升高超過一定界值的一種血流動力學和病理生理狀態,可導致右心衰竭,可以是一種獨立的疾病,也可以是并發癥,還可以是綜合征。其血流動力學診斷標準為:海平面靜息狀態下,右心導管檢測肺動脈平均壓≥25mmHg。肺動脈高壓的致殘率和病死率均很高。雖然近年臨床治療上有進展,但預后仍然很差,據統計,新診斷的肺動脈高壓患者3年生存率為55-69%。

                  流行病學觀察發現,在患有肺動脈高壓的人群中,肥胖和糖尿病的發病率相當高;而最新對特發性肺動脈高壓患者口服糖耐量實驗的研究發現患者對于自身的血糖調控很差。那么這兩者之間有什么聯系嗎?此外,在肺動脈高壓的研究中對空腹營養代謝的描述也很少。

                  在本篇文獻中,研究者首次使用葡萄糖鉗夾技術研究特發性肺動脈高血壓患者體內胰島?細胞功能。并結合血漿代謝組學,對肺動脈高壓患者的空腹營養代謝做出全新的解釋。


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                  研究方法

                  樣本信息:

                  作者共收集了64個臨床樣本:

                  12個樣本(6例PAH, 6例對照組),進行葡萄糖鉗夾實驗并對葡萄糖,胰島素,c肽,游離脂肪酸和?;鈮A進行評估;

                  52個樣本(21例PAH, 31例對照組),收集空腹血漿樣本并進行非靶向代謝組學分析。

                  統計分析:

                  采用PRISM7進行統計分析。組間差異通過雙向重復計量方差分析(組×時間)進行評估。曲線下面積(AUC)使用梯形法計算。通過比較未配對的t檢驗評估AUC和基線。通過皮爾森相關性分析評估相關結果指標之間的關系。ShapiroWilk試驗確定正態值(α=0.05)。非正態數據經對數變換。數據以均值±SD表示。P<0.05時為有意義。

                  以差異倍數和箱線圖表示代謝組學數據。用每個化合物的最小觀察值估算缺失值。對數變換后,通過單因素方差分析(ANOVA)確定組間的差異代謝物??紤]到多重比較,計算出FDR(q值)的估計值。在q值<0.1時為有意義。

                  葡萄糖,胰島素和c肽

                  首先保證實驗組和對照組維持高血糖所需的葡萄糖輸注率相似(圖1d),檢測發現肺動脈高壓患者的胰島素對高血糖的敏感性降低了53%(圖1b),而胰?細胞功能和胰島素分泌的一個標志物——c -肽、組間相似(圖1c)。與對照組相比,肺動脈高壓患者的胰島素敏感性(M/I)升高了92%。



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                  圖1


                  生酮作用(β-羥丁酸)和肝胰島素提取

                  肝臟在代謝健康中的一個重要作用是肝酮生成??崭寡hβ-羥丁酸反映了肝臟的生酮作用了肝酮生成。因此,作者對空腹肝臟樣本中的酮類和肝胰島素進行檢測。

                  如圖2a,結果顯示在相同血糖濃度時,肺動脈高壓組的β-羥丁酸含量始終高于對照組(β-羥丁酸 AUC; PAH: 13.0±0.7AU; Control: 10.4±0.5AU, p=0.016)。胰島素反應第一和第二階段的肝胰島素提取量也是肺動脈高壓組更大。



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                  圖2


                  游離脂肪酸(FFA)和?;鈮A

                  酮生成的另一個調節因子是脂肪組織脂肪分解將游離脂肪酸(FFAs)傳遞到肝臟,由此,在健康生理中,游離脂肪酸(FFAs)的增加與酮的增加相關。為了探討空腹肝酮生成的升高是否僅僅是游離脂肪酸升高的反映,作者測量了空腹游離脂肪酸,

                  圖3c,總游離脂肪酸含量隨時間呈現下降的趨勢(圖3a)。棕櫚油酸酯(C16:1)是僅有的在肺動脈高壓患者體內升高的一種脂肪酸(圖3b)。乙酰肉堿含量偏高,且在兩組中的含量均隨血糖升高而降低。



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                  圖3


                  血漿代謝組學

                  為了驗證鉗夾實驗的代謝發現及其臨床相關性,作者對21例特發性肺動脈高壓患者和31例年齡、BMI和性別匹配的對照組進行了非靶向代謝組學分析。

                  共鑒定了862種代謝物,其中包括出358種差異代謝物(213種升高,145種減少)。圖示代謝物反應的火山圖如圖4a所示。圖4b為前30位差異代謝物的熱圖。

                  值得注意的是肺動脈高壓組的β-羥丁酸(?OHB)幾乎為對照組的5倍(q = 0.001,圖4 c)。在熱圖中列出的三十種代謝物中,有21種的含量升高,其中升高1.7倍(q<0.001,圖4d)。



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                  圖4


                  結合葡萄糖鉗夾實驗進行相關性分析,作者發現β-羥丁酸和乙酰肉堿強烈相關(圖5a)。在38種脂肪酸代謝產物中,有19種在肺動脈高壓患者中升高,其中棕櫚油酸升高的幅度最大(圖5c)。7種參與生酮作用的氨基酸,其中6種在肺動脈高壓患者體內降低(q均<0.10,圖5d)。



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                  圖5



                  03
                  結果討論

                  肝臟-胰島素提取和酮生成

                  對照組是超重/肥胖和久坐的,并且呈現出早期胰島素抵抗的典型癥狀:FFAs和胰島素分泌升高,空腹β羥丁酸和肝胰島素提取減少。兩組間胰腺細胞功能(即胰島素分泌)相似,提示PAH正沿著糖尿病的自然病程發展。

                  這是第一次提示PAH在高血糖時出現肝臟胰島素提取率升高。鑒于胰腺細胞胰島素分泌和骨骼肌胰島素敏感性均不表明血糖控制不良,肝胰島素提取的升高可能在PAH組中觀察到的口服血糖控制不良中起作用。

                  肝臟在代謝健康中的另一個重要作用是肝酮生成。在PAH觀察到的β-羥丁酸升高表明酮生成增加,這與關于心力衰竭代謝的文獻一致,其中酮類被心臟組織優先用作對心臟功能下降的適應性反應,因為酮類是更有利的能量來源。在這一人群中,空腹肝酮生成與肝胰島素提取呈正相關。這兩個肝臟過程之間的關系既新穎又有趣,因為生酮作用部分受胰島素調節。

                  對于游離脂肪酸的檢測發現各組之間沒有差異。為了探討PAH組游離脂肪酸轉化為酮類的能力是否與臨床預后相關,作者計算了游離脂肪酸與酮類的比率(FFA:?OHB),并評估了與主要臨床指標的相關性。在本研究中,游離脂肪酸或?OHB單獨與較差的臨床措施相關。相反,FFA:?OHB比值與臨床嚴重程度呈負相關,提示PAH患者將FFA轉化為酮類的能力越強,臨床健康狀況越好。盡管酮以前被認為只是代謝的副產品,但最近的研究表明酮是葡萄糖和脂肪代謝的調節因子,同時具有獨立的信號特性。綜上所述,FFA:?OHB比值可能為PAH和孤立代謝性疾病的代謝提供一種新的表征。這為在其他臨床環境中研究肝酮生成與肝胰島素提取之間的關系提供了動力。

                   

                  骨骼肌-胰島素敏感性

                  鉗夾過程中注入的葡萄糖被主動轉運到骨骼肌中,在葡萄糖鉗夾的情況下,提供骨骼肌胰島素敏感性(M/I)的代用估計值。

                  在控制BMI和PAH狀態后,FFA:?OHB比值與臨床措施的改善和預測M/I相關。這表明肝臟將FFA轉化為酮體的能力可能是影響骨骼肌胰島素敏感性的一個新因素。胰島素敏感性也是由肝臟提取預測的,這與最近的文獻一致。酮體氨基酸的減少與酮體升高一致是特別值得注意的,因為空腹狀態的氨基酸主要來源于肌肉組織,而在晚期PAH和心力衰竭中,肌肉質量的損失是常見的。這一觀察引出了一個問題,即外源性提供酮體前體是否能保護PAH誘發的肌肉代謝,應進一步研究。

                   

                  游離脂肪酸與脂肪氧化

                  兩組間的空腹FFAs相似,但明顯高于健康的非肥胖個體的典型水平。PAH和對照組在鉗夾過程中同樣減少了FFA,鑒于FFA的濃度主要由脂肪組織的脂解速率驅動,這表明PAH的脂肪組織和對照組對胰島素的反應類似。為了深入了解脂肪酸代謝,作者進行了短鏈?;〈挤治?。

                  乙酰肉堿,一種完全脂肪酸氧化的指標,在PAH中升高,并且在鉗夾組和代謝組中與?OHB相關,說明PAH中優先進行脂質和酮代謝。一個有趣的發現是PAH中棕櫚酸鹽的升高,據報道它對胰島素敏感性和心血管健康具有有益的影響,這為PAH中胰島素敏感性的升高提供了潛在的機制。

                   

                  臨床相關性及意義

                  6分鐘步行試驗期間的步行距離是PAH死亡率和臨床預后的重要預測因素,在當前的研究中,該距離與肝胰島素提取相關,說明營養代謝在PAH臨床預后中的作用不僅僅是代謝健康。在鉗夾組和代謝組中,FFAs和?OHB與較差的臨床指標獨立相關,而FFA:?OHB比值與較好的臨床指標相關。這一結果表明,增加的FFAs和?OHB是對PAH相關性心力衰竭的早期代謝適應。

                  如果觀察到的代謝變化是以協調的方式調節的,或者僅僅是與PAH復雜的生理和藥物治療相關的巧合結果,這一問題仍有待解決。然而,作者推測,在外周胰島素敏感性升高的情況下,升高的肝胰島素提取可能是維持低胰島素水平的一種生理手段,從而支持酮類代謝,為心臟組織提供節油的酮類,這種適應可能是為了補償心臟功能下降,但卻無意中導致PAH和超重/肥胖患者血糖控制不良。這與左心衰文獻一致,證明肝胰島素提取率升高可維持細胞功能。

                  觀察到的循環胰島素減少和高血糖引起的肝胰島素提取增加支持了一些抗糖尿病藥物的再利用,以供將來PAH研究考慮。作者認為應特別注意鈉-葡萄糖共轉運蛋白-2(SGLT2)抑制劑或胰高血糖素樣肽1(GLP1)受體激動劑,因為它們可以改善血糖控制,同時具有心臟保護作用。同樣,需要進行研究以確定藥物營養療法對減少葡萄糖偏移和支持脂質和酮代謝對PAH相關結果的影響。


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                  總結

                  這是首次使用葡萄糖鉗夾技術在評估肺動脈高壓患者的胰島?細胞功能。在此次研究中,作者證實了肺動脈高壓患者體內中胰島素對高血糖敏感性的降低;鑒定了肺動脈高壓的相關代謝物;指出導致肺動脈高壓患者血糖控制能力差的主要原因是肝胰腺胰島素提取增加,而不是胰島?細胞功能缺陷或骨骼肌的胰島素敏感性。

                  此次研究也說明營養代謝的變化(即優先使用脂質和酮類進行代謝)可以彌補右心衰竭。這說明或許可以通過改變飲食、生活方式或藥理增加脂質和酮類代謝,減少游離葡萄糖,達到治療肺動脈高壓的效果。

                  ? 文獻出處

                  Mey JT, Hari A,Axelrod CL, et al. Lipids and Ketones Dominate Metabolism at the expense ofglucose control in pulmonary arterial hypertension: a hyperglycemic clamp andmetabolomics study. Eur Respir J ,2020.



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