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Eur Respir J丨脂类和酮类在PAH患者中以牺牲血糖控制来主导代谢的机理研究

发布日期:2020.05.18 浏览次数(364)



代谢组学和医学研究

在医学领域,代谢组学是以研究临床整体、器官、组织及细胞的内源性代谢物质的代谢途径及其所受内在或外在因素的影响及随时间变化规律为目的,通过揭示代谢组整体变化轨迹来反映某种病理生理过程中所发生的一系列生物事件。能够在基因解析、病理阐述、药物设计开发、病变标志物筛选、疾病诊断分型和治疗效果预测等医学相关领域发挥显著作用。

应用案例
葡萄糖钳夹技术和代谢组学研究

图片关键词

01
研究内容简介

肺动脉高压(PAH)指升高超过一定界值的一种血流动力学和病理生理状态,可导致右心衰竭,可以是一种独立的疾病,也可以是并发症,还可以是综合征。其血流动力学诊断标准为:海平面静息状态下,右心导管检测肺动脉平均压≥25mmHg。肺动脉高压的致残率和病死率均很高。虽然近年临床治疗上有进展,但预后仍然很差,据统计,新诊断的肺动脉高压患者3年生存率为55-69%。

流行病学观察发现,在患有肺动脉高压的人群中,肥胖和糖尿病的发病率相当高;而最新对特发性肺动脉高压患者口服糖耐量实验的研究发现患者对于自身的血糖调控很差。那么这两者之间有什么联系吗?此外,在肺动脉高压的研究中对空腹营养代谢的描述也很少。

在本篇文献中,研究者首次使用葡萄糖钳夹技术研究特发性肺动脉高血压患者体内胰岛ß细胞功能。并结合血浆代谢组学,对肺动脉高压患者的空腹营养代谢做出全新的解释。


02
研究方法

样本信息:

作者共收集了64个临床样本:

12个样本(6例PAH, 6例对照组),进行葡萄糖钳夹实验并对葡萄糖,胰岛素,c肽,游离脂肪酸和酰基肉碱进行评估;

52个样本(21例PAH, 31例对照组),收集空腹血浆样本并进行非靶向代谢组学分析。

统计分析:

采用PRISM7进行统计分析。组间差异通过双向重复计量方差分析(组×时间)进行评估。曲线下面积(AUC)使用梯形法计算。通过比较未配对的t检验评估AUC和基线。通过皮尔森相关性分析评估相关结果指标之间的关系。ShapiroWilk试验确定正态值(α=0.05)。非正态数据经对数变换。数据以均值±SD表示。P<0.05时为有意义。

以差异倍数和箱线图表示代谢组学数据。用每个化合物的最小观察值估算缺失值。对数变换后,通过单因素方差分析(ANOVA)确定组间的差异代谢物。考虑到多重比较,计算出FDR(q值)的估计值。在q值<0.1时为有意义。

葡萄糖,胰岛素和c肽

首先保证实验组和对照组维持高血糖所需的葡萄糖输注率相似(图1d),检测发现肺动脉高压患者的胰岛素对高血糖的敏感性降低了53%(图1b),而胰ß细胞功能和胰岛素分泌的一个标志物——c -肽、组间相似(图1c)。与对照组相比,肺动脉高压患者的胰岛素敏感性(M/I)升高了92%。



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图1


生酮作用(β-羟丁酸)和肝胰岛素提取

肝脏在代谢健康中的一个重要作用是肝酮生成。空腹循环β-羟丁酸反映了肝脏的生酮作用了肝酮生成。因此,作者对空腹肝脏样本中的酮类和肝胰岛素进行检测。

如图2a,结果显示在相同血糖浓度时,肺动脉高压组的β-羟丁酸含量始终高于对照组(β-羟丁酸 AUC; PAH: 13.0±0.7AU; Control: 10.4±0.5AU, p=0.016)。胰岛素反应第一和第二阶段的肝胰岛素提取量也是肺动脉高压组更大。



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图2


游离脂肪酸(FFA)和酰基肉碱

酮生成的另一个调节因子是脂肪组织脂肪分解将游离脂肪酸(FFAs)传递到肝脏,由此,在健康生理中,游离脂肪酸(FFAs)的增加与酮的增加相关。为了探讨空腹肝酮生成的升高是否仅仅是游离脂肪酸升高的反映,作者测量了空腹游离脂肪酸,

图3c,总游离脂肪酸含量随时间呈现下降的趋势(图3a)。棕榈油酸酯(C16:1)是仅有的在肺动脉高压患者体内升高的一种脂肪酸(图3b)。乙酰肉碱含量偏高,且在两组中的含量均随血糖升高而降低。



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图3


血浆代谢组学

为了验证钳夹实验的代谢发现及其临床相关性,作者对21例特发性肺动脉高压患者和31例年龄、BMI和性别匹配的对照组进行了非靶向代谢组学分析。

共鉴定了862种代谢物,其中包括出358种差异代谢物(213种升高,145种减少)。图示代谢物反应的火山图如图4a所示。图4b为前30位差异代谢物的热图。

值得注意的是肺动脉高压组的β-羟丁酸(ßOHB)几乎为对照组的5倍(q = 0.001,图4 c)。在热图中列出的三十种代谢物中,有21种的含量升高,其中升高1.7倍(q<0.001,图4d)。



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图4


结合葡萄糖钳夹实验进行相关性分析,作者发现β-羟丁酸和乙酰肉碱强烈相关(图5a)。在38种脂肪酸代谢产物中,有19种在肺动脉高压患者中升高,其中棕榈油酸升高的幅度最大(图5c)。7种参与生酮作用的氨基酸,其中6种在肺动脉高压患者体内降低(q均<0.10,图5d)。



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图5



03
结果讨论

肝脏-胰岛素提取和酮生成

对照组是超重/肥胖和久坐的,并且呈现出早期胰岛素抵抗的典型症状:FFAs和胰岛素分泌升高,空腹β羟丁酸和肝胰岛素提取减少。两组间胰腺细胞功能(即胰岛素分泌)相似,提示PAH正沿着糖尿病的自然病程发展。

这是第一次提示PAH在高血糖时出现肝脏胰岛素提取率升高。鉴于胰腺细胞胰岛素分泌和骨骼肌胰岛素敏感性均不表明血糖控制不良,肝胰岛素提取的升高可能在PAH组中观察到的口服血糖控制不良中起作用。

肝脏在代谢健康中的另一个重要作用是肝酮生成。在PAH观察到的β-羟丁酸升高表明酮生成增加,这与关于心力衰竭代谢的文献一致,其中酮类被心脏组织优先用作对心脏功能下降的适应性反应,因为酮类是更有利的能量来源。在这一人群中,空腹肝酮生成与肝胰岛素提取呈正相关。这两个肝脏过程之间的关系既新颖又有趣,因为生酮作用部分受胰岛素调节。

对于游离脂肪酸的检测发现各组之间没有差异。为了探讨PAH组游离脂肪酸转化为酮类的能力是否与临床预后相关,作者计算了游离脂肪酸与酮类的比率(FFA:ßOHB),并评估了与主要临床指标的相关性。在本研究中,游离脂肪酸或ßOHB单独与较差的临床措施相关。相反,FFA:ßOHB比值与临床严重程度呈负相关,提示PAH患者将FFA转化为酮类的能力越强,临床健康状况越好。尽管酮以前被认为只是代谢的副产品,但最近的研究表明酮是葡萄糖和脂肪代谢的调节因子,同时具有独立的信号特性。综上所述,FFA:ßOHB比值可能为PAH和孤立代谢性疾病的代谢提供一种新的表征。这为在其他临床环境中研究肝酮生成与肝胰岛素提取之间的关系提供了动力。

 

骨骼肌-胰岛素敏感性

钳夹过程中注入的葡萄糖被主动转运到骨骼肌中,在葡萄糖钳夹的情况下,提供骨骼肌胰岛素敏感性(M/I)的代用估计值。

在控制BMI和PAH状态后,FFA:ßOHB比值与临床措施的改善和预测M/I相关。这表明肝脏将FFA转化为酮体的能力可能是影响骨骼肌胰岛素敏感性的一个新因素。胰岛素敏感性也是由肝脏提取预测的,这与最近的文献一致。酮体氨基酸的减少与酮体升高一致是特别值得注意的,因为空腹状态的氨基酸主要来源于肌肉组织,而在晚期PAH和心力衰竭中,肌肉质量的损失是常见的。这一观察引出了一个问题,即外源性提供酮体前体是否能保护PAH诱发的肌肉代谢,应进一步研究。

 

游离脂肪酸与脂肪氧化

两组间的空腹FFAs相似,但明显高于健康的非肥胖个体的典型水平。PAH和对照组在钳夹过程中同样减少了FFA,鉴于FFA的浓度主要由脂肪组织的脂解速率驱动,这表明PAH的脂肪组织和对照组对胰岛素的反应类似。为了深入了解脂肪酸代谢,作者进行了短链酰基肌醇分析。

乙酰肉碱,一种完全脂肪酸氧化的指标,在PAH中升高,并且在钳夹组和代谢组中与ßOHB相关,说明PAH中优先进行脂质和酮代谢。一个有趣的发现是PAH中棕榈酸盐的升高,据报道它对胰岛素敏感性和心血管健康具有有益的影响,这为PAH中胰岛素敏感性的升高提供了潜在的机制。

 

临床相关性及意义

6分钟步行试验期间的步行距离是PAH死亡率和临床预后的重要预测因素,在当前的研究中,该距离与肝胰岛素提取相关,说明营养代谢在PAH临床预后中的作用不仅仅是代谢健康。在钳夹组和代谢组中,FFAs和ßOHB与较差的临床指标独立相关,而FFA:ßOHB比值与较好的临床指标相关。这一结果表明,增加的FFAs和ßOHB是对PAH相关性心力衰竭的早期代谢适应。

如果观察到的代谢变化是以协调的方式调节的,或者仅仅是与PAH复杂的生理和药物治疗相关的巧合结果,这一问题仍有待解决。然而,作者推测,在外周胰岛素敏感性升高的情况下,升高的肝胰岛素提取可能是维持低胰岛素水平的一种生理手段,从而支持酮类代谢,为心脏组织提供节油的酮类,这种适应可能是为了补偿心脏功能下降,但却无意中导致PAH和超重/肥胖患者血糖控制不良。这与左心衰文献一致,证明肝胰岛素提取率升高可维持细胞功能。

观察到的循环胰岛素减少和高血糖引起的肝胰岛素提取增加支持了一些抗糖尿病药物的再利用,以供将来PAH研究考虑。作者认为应特别注意钠-葡萄糖共转运蛋白-2(SGLT2)抑制剂或胰高血糖素样肽1(GLP1)受体激动剂,因为它们可以改善血糖控制,同时具有心脏保护作用。同样,需要进行研究以确定药物营养疗法对减少葡萄糖偏移和支持脂质和酮代谢对PAH相关结果的影响。


04
总结

这是首次使用葡萄糖钳夹技术在评估肺动脉高压患者的胰岛ß细胞功能。在此次研究中,作者证实了肺动脉高压患者体内中胰岛素对高血糖敏感性的降低;鉴定了肺动脉高压的相关代谢物;指出导致肺动脉高压患者血糖控制能力差的主要原因是肝胰腺胰岛素提取增加,而不是胰岛ß细胞功能缺陷或骨骼肌的胰岛素敏感性。

此次研究也说明营养代谢的变化(即优先使用脂质和酮类进行代谢)可以弥补右心衰竭。这说明或许可以通过改变饮食、生活方式或药理增加脂质和酮类代谢,减少游离葡萄糖,达到治疗肺动脉高压的效果。

✎ 文献出处

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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