提高心脏对缺血/再灌注的耐受性：丁酸盐在线粒体和代谢恢复中的作用

时间：2026年2月12日

来源：Atherosclerosis

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心脏移植中循环死亡供体心脏因代谢紊乱导致原发移植物功能障碍（PGD），本研究通过体外心肌细胞灌注模型发现丁酸盐可显著改善缺血再灌注损伤心肌细胞代谢功能，恢复线粒体氧化磷酸化能力，降低ADP/ATP比值，通过Parkin/PINK1介导的线粒体自噬促进新生线粒体形成，减少活性氧生成，有效预防细胞凋亡。

Corrigan Minehan Heart Center, 外科系, 马萨诸塞州总医院 & 哈佛医学院, 55 Fruit Street, 波士顿, MA 02114

摘要

背景或目的

心脏移植是治疗晚期心力衰竭的关键方法。循环死亡（DCD）后的心脏捐赠为器官短缺问题提供了解决方案，但这些心脏面临较高的原发性移植物功能障碍（PGD）发生率，主要是由于严重的代谢紊乱。丁酸（BT）作为一种短链脂肪酸，在恢复线粒体功能和ATP生成方面显示出潜力，这一点在新的心肌细胞缺血/再灌注（I/R）模型中得到了验证。

方法

从成人心室中分离出的人类心肌细胞用于体外细胞灌注（IVCP）。在温暖缺血时间（WIT）后，将代谢疗法引入冷缺血时间（CIT）的UW溶液中。收集灌注液和细胞，使用标准技术进行代谢物分析和分子研究。

结果

丁酸通过增强糖酵解-线粒体呼吸耦合和ATP合成显著改善了心肌细胞在I/R应力下的代谢功能。它通过增加NAD+/NADPH池并降低ADP/ATP比率来恢复氧化还原平衡，同时抑制组蛋白去乙酰化并促进Parkin/PINK1介导的线粒体自噬。通过用功能正常的线粒体替换受损的线粒体，丁酸减少了线粒体ROS，增强了电子传递链活性，并恢复了氧化磷酸化，有效防止了心肌细胞的凋亡并促进了代谢恢复。

结论

丁酸能够有效修复线粒体功能障碍并恢复ATP生成，其益处不仅限于受I/R损伤影响的心肌细胞代谢恢复。总体而言，丁酸治疗可能在其他心脏缺血损伤中发挥缓解I/R诱导的代谢功能障碍的作用，特别是在心肌梗死后，对于提高移植器官的存活率具有重大潜力。

引言

对于患有晚期心力衰竭和严重症状的患者，心脏移植仍然是金标准治疗方法，能够显著改善生活质量、功能状态和生存率¹。然而，可供移植的心脏数量极为有限，每年只有25-30%的等待名单患者能够接受移植²。这种短缺加上原发性移植物功能障碍（PGD）的风险（这是早期移植物失败和死亡的主要原因）带来了重大挑战³。高达15-41%的移植心脏会出现PGD，通常是由于器官采集和再灌注过程中的缺血-再灌注损伤（IRI）引起的^{4, 5}。体外心脏灌注（EVHP）技术，特别是在循环死亡（DCD）后的常温灌注方案中，为克服这些障碍提供了新的机会^{6, 7}。传统的冷静态储存方法会加剧缺血损伤，并限制了DCD心脏的使用。相比之下，常温灌注技术可以实现再灌注、营养供应和毒素清除，从而在植入前评估心脏的恢复情况和存活能力⁸。常温EVHP可以维持有氧代谢，减少冷缺血，并为输送心脏保护剂提供平台，这可能有助于挽救那些原本被认为不可移植的心脏⁹。研究表明，管理得当的捐赠心脏在24-48小时内可以恢复心脏功能^{11, 12}。然而，长时间的EVHP会对DCD心脏受者的结果产生不利影响¹³。我们的最新研究发现，使用当前的临床EVHP系统（Organ Care System，TransMedics Inc.），体外灌注心脏会发生时间依赖性的代谢变化，这可能导致进行性心脏功能障碍。此外，长时间温暖缺血后采集的DCD心脏通常具有代谢功能障碍，这些心脏往往被认为不适合移植¹⁴。心脏具有高度代谢的特性，需要大量能量来维持其自发的节律功能¹⁵。心脏的代谢需求主要由线粒体氧化磷酸化满足，其效率几乎是糖酵解的20倍（每分子葡萄糖产生约30-38 ATP，而糖酵解仅产生2 ATP）¹⁶。作为代谢“杂食者”，心脏会根据生理需求调整其底物偏好和线粒体氧化方式。在成年模型生物中，大约65%的ATP来自脂肪酸氧化（主要是长链脂肪酸），30%来自丙酮酸氧化（通过乳酸或糖酵解），剩余约5%来自无氧途径^{17, 18, 19}。值得注意的是，线粒体占心脏体积的约25%，是支持心脏持续功能的核心能量中心²⁰。这些线粒体氧化途径的任何缺陷都会导致收缩功能障碍和心力衰竭（HF）^{21, 22}。研究还表明，心力衰竭和心血管疾病（CVD）中的线粒体功能障碍不仅涉及ATP生成减少，还涉及线粒体结构和功能的广泛异常^{23, 24, 25}。这为针对线粒体的治疗开辟了新的可能性，以解决线粒体在细胞健康和CVD中的多种作用²⁶。最近，线粒体移植（通过替换功能失调的线粒体来恢复能量生成）在治疗心力衰竭和心血管疾病方面显示出潜力，突显了线粒体健康在心血管治疗中的重要性^{27, 28}。此外，在美国，射血分数保留的心力衰竭（HFpEF）与射血分数降低的心力衰竭（HFrEF）一样普遍，两者预后相似²⁹。HFpEF越来越多地与代谢异常相关，包括肥胖和糖尿病²⁹。最近在心力衰竭模型中的研究表明，使用短链脂肪酸（SCFAs）和酮体的疗法可能改善线粒体氧化和ATP生成，具有治疗潜力^{30, 31}。尽管代谢疗法在CVD中显示出潜力，但它们对DCD心脏的恢复作用仍需进一步研究³²。值得注意的是，脂肪酸（FAs）是健康心脏的主要能量来源。虽然长链和中链FAs在缺血期间具有有害作用，但SCFAs的作用尚未得到充分研究^{32, 33}。重要的是，在FA耗尽的情况下，心肌功能障碍会加剧，此时葡萄糖和FA的代谢平衡受到破坏^{34, 35}。在晚期心力衰竭中，葡萄糖氧化受到抑制，表明代谢向替代底物（尤其是FA）转变³⁴。然而，当FA转运蛋白受损时，依赖长链和中链FA是低效的，这是导致心肌功能障碍和ATP生成减少的原因^{36, 37, 38}。我们之前发现，在EVHP过程中，人和猪的DCD心脏中的SCFAs会迅速耗尽，暴露出其关键的代谢脆弱性³⁹。鉴于这些挑战，SCFAs因其独立于转运蛋白的特性和能够绕过长链FA代谢的限制而引起了临床上的关注，成为一种更易获得的能量来源⁴⁰。 SCFAs（≤6个碳原子）为健康成人提供约10%的能量需求，并作为代谢调节剂⁴¹。它们的耗尽会损害心力衰竭和CVD患者的能量平衡⁴¹。在SCFAs中，丁酸的线粒体氧化效率优于乙酸和丙酸，因此是一种能够绕过长链和中链FA运输限制的有效能量底物⁴²。在体外Langendorff心脏模型中，丁酸能够增强代谢功能，提高ATP生成，并且在改善心力衰竭模型中的心肌功能方面比酮体更有效⁴³。此外，高血压患者体内产生丁酸的肠道细菌减少进一步支持了其系统性的代谢重要性⁴⁴。尽管有这些观察结果，但目前尚无研究将丁酸作为DCD心脏的代谢疗法进行探讨。因此，研究其在DCD心脏功能中的作用可能揭示出在IRI期间恢复代谢功能、降低PGD风险和扩大可移植器官池的策略³⁹。在这里，我们首次证明了DCD人类和猪心脏在EVHP过程中的代谢紊乱，并强调了在DCD心脏中应用代谢疗法的必要性，以减轻PGD并维持器官存活能力³⁹。为了复制DCD心脏采集和常温机器灌注的过程，我们开发了一种新的体外细胞灌注模型（IVCP）。在该模型中，原代心肌细胞经历一系列条件：首先是温暖缺血期，然后是冷缺血期，最后是常温氧合期。在冷缺血阶段引入丁酸，并评估常温灌注后的心脏细胞代谢功能。丁酸治疗能够有效恢复线粒体功能和ATP生成，其作用超出了其在I/R相关损伤中心肌细胞代谢恢复中的角色。

主要细胞系和实验方法

人类心肌细胞HCM和AC10分别从 PromoCell（#12810）和ATCC（#CRL-3569）获取。HCM在心肌细胞生长培养基（PromoCell C-22070）中培养，AC10细胞在Dulbecco's Modified Eagle Medium/Nutrient Mixture F-12（DMEM-F12，ATCC 30-2006）中培养，其中含有12.5% FBS（ATCC 30-2020）、1X胰岛素-转铁蛋白-硒（ITS-G）和2%马血清（Gibco Catalog #16050130）。

体外心肌细胞灌注

我们的研究与已建立的人类DCD心脏移植方法一致

丁酸在缺血心肌细胞中上调代谢功能

通过结合细胞活力测定和不同浓度丁酸下的ADP/ATP比率量化，我们确定1 mM浓度的丁酸可以维持90%以上的细胞活力，并促进高ATP生成率（图S1A–S1C）。因此，该浓度被用于本文描述的所有后续实验。

讨论

尽管美国每年的心脏移植数量有所增加（去年约为3,500例，全球总数为5,000例），但心脏移植等待名单仍在迅速增长⁵²。令人震惊的是，每年超过98%的等待名单患者未能接受移植⁵³。虽然机械循环支持设备等进步降低了移植前的死亡率（2005年至2016年间从每100患者年14.6例降至9.7例），但等待名单上的患者死亡率仍然很高⁵³。