体内衣康酸示踪揭示其降解途径与周转动力学：免疫代谢调控新机制

本研究针对衣康酸（itaconate）在体内代谢动力学不清的问题，通过质谱分析与体内13C同位素示踪技术，揭示了衣康酸在雄性小鼠体内通过肾脏排泄和肝脏代谢快速清除的机制，并发现其可转化为乙酰辅酶A（acetyl-CoA）、中康酸（mesaconate）和柠苹酸（citramalate），显著影响TCA循环和支链氨基酸代谢。该研究为衣康酸相关免疫代谢疾病的治疗策略提供了重要理论依据。

在免疫代谢研究领域，衣康酸(itaconate)作为一种重要的免疫调节代谢物，近年来受到广泛关注。这种由三羧酸循环(TCA cycle)下游产生的有机酸，不仅能够显著改变线粒体代谢特性，还深刻影响着免疫细胞的功能状态。随着基于衣康酸的治疗策略在多种炎症性疾病中的应用探索日益深入，科学家们面临着一个关键问题：我们对这种代谢物在生物体内的动态行为知之甚少——它在血液循环中的周转速率如何？降解动力学特征怎样？又会给整体代谢带来哪些深远影响？

正是为了解答这些基础而重要的问题，来自国际研究团队的研究人员在《Nature Metabolism》上发表了他们的最新研究成果。他们巧妙地结合了质谱分析技术和体内¹³C衣康酸示踪方法，在雄性小鼠模型中系统揭示了衣康酸的代谢命运。

研究人员运用了多项关键技术：通过持续静脉输注建立大鼠模型研究药代动力学；采用高剂量(400 mg/kg)和低剂量(40 mg/kg)的[U-¹³C]衣康酸进行体内同位素示踪；利用气相色谱-质谱联用(GC-MS)技术定量分析血浆和组织代谢物；通过液相色谱-质谱联用(LC-MS)检测酰基辅酶A和肉碱衍生物；使用细胞培养模型(HepG2、Huh7和HEK-293细胞)进行体外验证实验。

动态衣康酸代谢与输注大鼠模型中琥珀酸水平的相关性

研究人员首先在大鼠模型中进行衣康酸输注实验，发现30分钟的衣康酸输注显著提高了血浆中琥珀酸(succinate)和苹果酸(malate)等TCA循环中间产物的浓度。通过时间序列分析，他们观察到衣康酸在血浆中的浓度迅速升至约0.45 mM，但大部分在60分钟内被清除，消除半衰期(T_1/2)首次输注为53分钟，第二次为85分钟。特别值得注意的是，琥珀酸浓度与衣康酸水平呈现强烈正相关，表明衣康酸对琥珀酸脱氢酶(SDH)活性的抑制是可逆的。

研究还发现衣康酸通过衣康酰辅酶A(itaconyl-CoA)抑制甲基丙二酰辅酶A变位酶(MUT)活性，导致甲基丙二酸(MMA)水平逐渐积累，并显著增加支链氨基酸(BCAA)(包括亮氨酸、异亮氨酸和缬氨酸)的水平。中康酸(mesaconate)作为衣康酸的代谢产物，其水平与衣康酸和琥珀酸浓度也呈现显著相关性。

衣康酸是小鼠肝脏和肾脏中线粒体代谢的底物

为了探究衣康酸在体内的最终去向，研究人员给雄性小鼠注射[U-¹³C]衣康酸，并定量分析了代谢物的丰度和标记情况。结果显示，衣康酸在血浆中迅速达到约2.5 mM的峰值浓度，并在45分钟内被清除，消除半衰期(T_1/2)为10.9分钟。与大鼠模型一致，小鼠血浆中琥珀酸和衣康酸水平也呈现强正相关。

通过检测不同组织中的衣康酸分布，研究人员发现肾脏、心脏和肺中浓度最高，而肝脏、大脑和脾脏中水平较低。特别重要的是，肝脏和肾脏中的柠檬酸(citrate)标记率高达20%，而其他组织低于5%，表明肝脏和肾脏是衣康酸分解代谢的主要场所。研究人员还观察到约15 mM衣康酸通过尿液排泄，证实肾脏排泄是衣康酸清除的主要途径。

¹³C衣康酸在肝组织中的去向

研究人员进一步量化了肝组织中TCA循环中间产物的质量同位素分布。他们发现注射衣康酸15分钟和45分钟后，完全标记的M3衣康酸接近100%，表明组织中内源性衣康酸可忽略不计。虽然丙酮酸(pyruvate)、乳酸(lactate)和丙氨酸(alanine)的标记较低，但约20%的M2柠檬酸被标记。

其他TCA循环中间产物如α-酮戊二酸(α-ketoglutarate)、延胡索酸(fumarate)、琥珀酸(succinate)和苹果酸(malate)，以及相关氨基酸谷氨酸(glutamate)和天冬氨酸(aspartate)也都显示出明显的M2标记。研究人员还检测到衣康酸处理后肝组织中衣康酰辅酶A、乙酰辅酶A和乙酰肉碱(acetyl-carnitine)水平的适度增加。[U-¹³C]衣康酸高度标记了衣康酰辅酶A，约20%的乙酰辅酶A池被标记，乙酰肉碱也观察到相当的标记水平。

衣康酸在体内被代谢为中康酸和柠苹酸

与体内实验结果形成鲜明对比的是，研究人员在培养细胞模型(HepG2和Huh7)中即使用10 mM [U-¹³C]衣康酸处理24小时，也未检测到标记的柠檬酸或棕榈酸(palmitate)，表明衣康酸在体外条件下不会被代谢为乙酰辅酶A。然而，在这两种细胞系中都检测到了完全M5标记的中康酸和柠苹酸(citramalate)，说明这两种代谢物的所有五个碳骨架碳都来源于衣康酸。

即使在更短的时间点(15、30和60分钟)，柠檬酸的标记仍然可忽略不计，而中康酸、柠苹酸和衣康酸在15分钟时就已经完全标记。在体内实验中，研究人员也在血浆和组织中检测到了标记的中康酸和柠苹酸，进一步证实了这条代谢途径的存在。

这项研究揭示了衣康酸代谢的一个全新层面：与培养细胞中的发现形成鲜明对比，衣康酸在体内能够被快速分解代谢。研究结果表明，衣康酸水平与血浆琥珀酸水平密切相关，表明衣康酸在系统琥珀酸水平和后续免疫应答中起着调节作用。

考虑到SDH是线粒体呼吸链的复合体II，这种对SDH的动态调节在氧气可用性有限的情况下(如与再灌注损伤相关的疾病)可能特别有益。体内数据支持衣康酸作为竞争性可逆SDH抑制剂的模型，它能够逐渐恢复线粒体通量，从而减轻再灌注损伤。

虽然单次衣康酸给药能迅速影响SDH功能，但对BCAA代谢和甲基丙二酸的影响较不可逆，这可能是由于衣康酰辅酶A对MUT的不可逆失活作用。这些发现进一步支持了先前在培养细胞模型中的观察结果，即衣康酸可能影响转氨酶反应。

对BCAA和维生素B₁₂代谢的长期影响可能对具有高度活化BCAA代谢的细胞类型(如脂肪细胞)具有重要意义。示踪研究揭示了衣康酸对肝脏中TCA循环和辅酶A代谢的显著影响，在高剂量下衣康酸标记了约20%的柠檬酸池，在更生理剂量下也能检测到柠檬酸标记。

这些数据表明肝脏分解代谢是一种活跃的处理途径，特别是当衣康酸在炎症组织中局部产生时。然而，血液中的衣康酸主要通过尿液排泄。这些发现与先前的研究一致，表明衣康酸在代谢性疾病(包括饮食诱导的肥胖和非酒精性脂肪肝病)中发挥有益作用。

由于衣康酸的水溶性特性，将其添加到饮用水或液体治疗中可能有助于长期连续给药。需要进一步研究来阐明衣康酸补充的长期效果并优化给药方案。

研究人员指出，衣康酸具有抗菌特性，某些细菌物种已经进化出利用衣康酸作为碳源进行解毒的策略。因此，衣康酸分解代谢途径可能在物种间是保守的，需要进一步研究来阐明不同细胞类型和模型系统中衣康酸分解代谢途径的潜在差异。

研究的局限性在于循环衣康酸的生理相关性尚未完全了解，需要进一步研究来阐明外源性给予衣康酸与内源性合成衣康酸在作用和意义上的差异。另一个限制是只使用了雄性模型，无法评估衣康酸代谢中潜在的性别特异性差异。还需要进一步研究来确定参与该途径的潜在代谢物和酶。

尽管许多研究关注衣康酸的免疫调节作用，但本研究提供了一个独特的视角来看待其在调节代谢中的作用。衣康酸在癌症、肥胖和其他疾病中也具有有益特性。因此，衣康酸的一些效应可能归因于其降解产物和随后的代谢重编程，这在多种疾病环境中可能是有益的。

这项研究不仅揭示了衣康酸在体内的动态代谢特征，还为开发基于衣康酸的治疗策略提供了重要的药代动力学基础，对理解免疫代谢调控和开发相关疾病治疗方法具有深远意义。