支链氨基酸代谢异常在心力衰竭发生发展中作用的研究进展

赵菲 ，牛小伟 ，刘永铭

(1兰州大学第一临床医学院，兰州 730000； 2兰州大学第一医院心血管内科，兰州 730000；3兰州大学第一医院老年心血管科，甘肃省老年疾病临床医学研究中心，兰州 730000)

心力衰竭(简称心衰)是各种心脏疾病的严重表现或晚期阶段。2003年流行病学调查显示，我国35～74岁成年人心衰患病率为0.9%[1]。随着心衰患病率的升高，关于心衰病理生理变化的研究也越来越多。心肌代谢重构被视为心脏病理重构的重要组成部分，对心肌缺血和心衰的发生发展至关重要[2]。在心肌细胞中，脂肪酸是产生能量的主要底物，而慢性心衰患者的心肌细胞利用脂肪酸产能减少[3]。因此，改善衰竭心肌细胞代谢缺陷可能成为治疗心衰的有效方法[4]。

支链氨基酸(branched chain amino acids，BCAAs)是人体所需的必要氨基酸之一，包括缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸，是参与细胞生长和代谢调节的重要营养信号[5]。有研究表明，BCAAs代谢异常与多种疾病，如糖尿病、肿瘤及心衰的发生发展密切相关。因此，深入理解BCAAs代谢异常原因及其在心力衰竭发病中的作用，对疾病防治具有重要意义。

1 BCAAs的生理作用

BCAAs是哺乳动物氨基酸的重要组成部分，占大多数哺乳动物必需氨基酸的35%[6]，因其功能R基团包含分支侧链而被命名为支链氨基酸。BCAAs在体内发挥重要生理功能，是影响代谢的重要信号。BCAAs能够通过哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin, mTOR)信号通路促进蛋白质生成，也可以在分解代谢后为三羧酸循环提供原料氧化供能。除此以外，BCAAs还可通过转化为神经递质及激素等重要生物活性物质从而发挥作用[5]。

2 BCAAs的代谢过程

BCAAs分解代谢首先由支链氨基酸转氨酶(branched-chain aminotransferase，BCAT)可逆地生成支链α酮酸(branched-chain alpha keto acid，BCKA)，然后在支链α酮酸脱氢酶(branched-chain alpha ketoacid dehydrogenase，BCKD)复合物催化下氧化脱羧，不可逆地生成辅酶A进入三羧酸循环彻底氧化供能。BCAT和BCKD复合物在BCAAs代谢中发挥着重要作用。BCAT分为BCAT1和BCAT2，主要存在于肌肉、肾脏和心脏中，在肝脏中几乎无表达。BCKD介导的反应是BCAAs分解代谢途径中的限速步骤，其活性决定BCAAs及BCKA的总水平。其中BCKD激酶(branched-chain alpha ketoacid dehydrogenasekinase，BDK)和BCKD磷酸酶(branched-chain alpha ketoacid dehydrogenasephosphatase，BDP)可以调节BCKD复合物活性并影响BCAAs代谢。BCKD复合物类似于丙酮酸脱氢酶复合物(pyruvate dehydrogenase complex，PDHc)，二者具有相似的亚基组成和调控机制。如同PDHc，BCKD全酶活性由其调节亚基E1α的磷酸化状态决定。当BCAAs水平低时，E1α被BDK过度磷酸化，从而抑制BCKD活性并保存游离BCAAs。当BCAAs水平高时，E1α被BDP去磷酸化，导致BCKD活化并降低总BCAAs水平。因此，BCKD去磷酸化是其酶激活的关键步骤，BDP可能在BCAAs稳态中起主要作用[2]。

3 BCAAs代谢异常与心衰的关系

心脏能量代谢改变与心衰的严重程度相关。然而，发生在心衰中的能量代谢变化是复杂的，过去研究主要局限于糖脂代谢，对氨基酸代谢及其在心衰发病机制中的作用知之甚少。Ruiz-Canela等[7]的横断面研究证实BCAAs增加心血管疾病风险，其中缬氨酸与亮氨酸水平升高被认为是心血管代谢风险标志物，且不受体质量因素影响。Uddin等[8]通过对扩张型心肌病(dilated cardiomyopathy，DCM)心衰患者和正常人群进行对比研究，发现DCM患者射血分数可从正常人水平降低至(22.3±2.2)%。在心肌活检时，DCM患者左心室标本中心脏BCAAs水平较正常人显著升高。

当心脏受损时，BCAAs的代谢也受到一定程度影响。其中BCAAs分解代谢产物BCAT2、BCKD亚基和线粒体基质丝氨酸/苏氨酸蛋白磷酸酶2C家族成员 (protein phosphatase 2C family member，PP2Cm)表达均降低，而BCKD表达略有增加。重要的是，受损心脏中BCKA水平也显著升高[9]。PP2Cm是迄今发现的唯一内源性BDP[10]，在BCAAs氧化过程中负责BCKD复合物的去磷酸化和活化[11]。Lu等[11]的研究表明，PP2Cm在斑马鱼胚胎和成年小鼠的心肌和中枢神经系统中均高度表达。在PP2Cm敲除小鼠中，BCAAs分解代谢障碍，血浆BCAAs含量显著增加。Sansbury等[12]通过横向主动脉缩窄(transverse aortic constriction，TAC)小鼠模型，证实了PP2Cm缺乏小鼠会表现出心衰，BCAAs分解代谢障碍损害小鼠心脏功能，促进压力超负荷诱导的心肌病。有研究发现，心脏PP2Cm下调可能与krüppel样因子15(krüppel like factor-15, KLF15)有关[13]。KLF15在调节BCAAs分解代谢中发挥重要作用，是压力超负荷诱导BCAAs分解代谢异常的机制之一[9]。Haldar等[14]的研究表明，在心肌病及主动脉病变的人和小鼠体内KLF15表达降低，KLF15缺乏小鼠可表现出严重心衰。Sun等[9]研究证实KLF15介导的转录调控通过抑制BCAAs分解代谢通路，使心衰小鼠出现心脏代谢改变。 Uddin等[8]在扩张型心肌病合并心衰患者的心脏中发现BCAAs分解代谢途径受损，BCAAs水平升高，这可能与KLF15介导的BCAT和PP2Cm下调有关。这些研究表明，BCAAs分解代谢紊乱导致BCAAs及BCKA等代谢产物堆积，从而促使心衰的发生发展。而通过减少代谢产物聚积，促进BCAAs分解代谢可以显著改善心脏功能。化合物3,6-二氯苯并[b]噻吩-2-羧酸( 3,6-dichlorobenzo[b]thiophene-2-carboxylic acid ，BT2)是BDK的一种高度特异性抑制剂，可以在肝脏、肌肉、肾脏及心脏等组织或器官内减少BDK表达，降低BCAAs浓度[15]。Sun等[9]发现在TAC4周后，BT2处理小鼠保持相对正常的左室射血分数，心室扩张较前减少。表明有针对地抑制BCKD、增强BCKA降解，可以对压力超负荷的心功能产生保护作用，并延缓心衰进展[16]。Li等[17]研究发现，外源性补充BCAAs加剧小鼠缺血再灌注损伤，导致小鼠心肌大面积梗死并增加氧化应激。而通过BT2处理后，可刺激小鼠体内BCAAs分解代谢，缩小梗死面积。这表明BT2促进BCAAs分解代谢能够减轻过量BCAAs造成的不良影响。总的来说，BT2化合物能够增强心脏BCAA氧化，改善心衰小鼠的心脏收缩功能[18]。Kitaura等[19]通过对抑制BDK的化合物进行评估，并与以往已经证实的BDK抑制剂进行对比，发现缬沙坦(血管紧张素Ⅱ 1型受体阻滞剂)作为BDK抑制剂的作用与其他抑制剂相当，可作为潜在的新型BDK抑制剂。缬沙坦可以降低大鼠体内BCKD复合物的去磷酸化水平及血浆BCAAs浓度，进而增加BCKD活性。BDK抑制剂已被证明可以保护压力超负荷诱导心衰小鼠的心功能，并减轻肥胖小鼠胰岛素抵抗。因此，缬沙坦可作为一种有效的BDK抑制剂，成为治疗BCAAs分解代谢障碍心衰和代谢性疾病的有效药物。

4 BCAAs代谢异常导致心功能障碍的作用机制

尽管BCAAs是重要的能源物质，但BCAAs在心脏中仅贡献105 μmol/L的碳当量，不到总碳消耗的5%[4]。因此， BCAAs通过影响三磷酸腺苷产生，从而导致心功能障碍的机制可能性非常低。近期有研究表明，BCAAs可能会作为信号分子促进心功能障碍。亮氨酸转运是通过L型氨基酸转运载体(L-type amino acid transporters，LAT) 完成的。LAT是一种非Na+依赖性转运载体,负责转运中性氨基酸、支链氨基酸及芳香族氨基酸等。 LAT分为LAT1～LAT4。LAT1和LAT2也称为溶质载体(solute carrier，Slc) 7(Slc7a5、Slc7a8)，而LAT3和LAT4则称为Slc43(Slc43a1、Slc43a2)。与LAT3和LAT4相比，LAT1和LAT2对亮氨酸、异亮氨酸、缬氨酸、苯丙氨酸和蛋氨酸更具特异性。亮氨酸通过LAT转运到细胞膜上的过程依赖于谷氨酰胺。首先，由谷氨酰胺转运蛋白(Slc1a5)将谷氨酰胺转运到细胞内；其次，Slc7a5和Slc3a2复合物根据胞内谷氨酰胺浓度，调节细胞外亮氨酸的摄取[20]。亮氨酸是mTOR信号转导的高效激活剂[21]，mTOR复合物在心脏中主要有mTOR复合物1和mTOR复合物2两种亚型。亮氨酸进入细胞后主要通过促进mTOR复合物1下游靶标蛋白真核起始因子4E结合蛋白和p70核糖体S6激酶1磷酸化发挥作用[5]。

雷帕霉素是一种mTOR变构抑制剂，对心衰进展存在一定影响。Wang等[16]通过冠状动脉结扎小鼠构建心肌梗死模型，发现小鼠BCAAs分解代谢受损，心肌BCAAs蓄积。而外源性补充BCAAs会增加心脏BCAAs水平，进而激活心肌mTOR信号，加重心功能障碍。雷帕霉素是目前世界上最新的强效免疫抑制剂，临床上用于器官移植的抗排斥反应和自身免疫性疾病的治疗。长期口服雷帕霉素会产生许多副作用，包括头痛及多关节痛等，而骨髓抑制、高脂血症和过度免疫抑制仍然是主要问题[22]。近年来，有研究发现mTOR抑制剂在心血管疾病中发挥一定作用，但mTOR抑制剂的严重副反应仍使相关研究局限于动物实验中。因此，临床需要开展更多的基于大量人群的研究，找到适用于治疗心血管疾病的安全性抑制剂[23]。

5 结 论

BCAAs及其代谢产物可作为信号分子，在心衰发生发展中起重要作用。现有研究证明，增强BCAAs分解代谢是治疗心衰的重要靶点。其中，开发BDK及mTOR抑制剂是改善心脏BCAAs代谢异常、改善心脏功能障碍的有效手段之一。临床上如何更准确地评价BCAAs与心功能的确切关系、BCAAs与心衰治疗效果及预后的关系，尚需多中心、大规模的临床试验及临床分析支持。因此，进一步阐明BCAAs在心衰中的作用机制将提供新的预防和治疗策略。