多组学整合分析揭示阿霉素诱导心脏毒性与肥大的时间依赖性代谢重编程机制

本研究针对阿霉素(DOX)临床使用中的心脏毒性问题，通过时间分辨的转录组学和代谢组学分析，结合新开发的pipeGEM计算工具，系统解析了DOX诱导心肌细胞肥大和代谢紊乱的分子机制。研究发现线粒体-核逆行信号传导介导的糖酵解增强、PPP通路激活和TCA循环重塑是心脏代偿性肥大的关键特征，为开发心脏保护策略提供了新靶点。

　　

癌症治疗中广泛使用的蒽环类药物阿霉素(DOX)虽具显著抗肿瘤效果，但其剂量限制性心脏毒性可导致不可逆的心肌损伤，约30%患者会出现慢性心力衰竭。这种心脏毒性表现为独特的"双相模式"：急性期主要表现为心律失常和心肌细胞死亡，而慢性期则发展为病理性心脏肥大和纤维化。尽管已知DOX通过干扰拓扑异构酶II(TOP2A)和线粒体氧化磷酸化(OXPHOS)系统发挥毒性，但其诱发心肌细胞代偿性肥大的精确代谢调控网络仍不清楚，这严重制约了靶向心脏保护策略的开发。

为系统解析这一科学问题，国立台湾大学等机构的研究团队在《npj Systems Biology and Applications》发表了创新性研究成果。研究团队建立了DOX诱导心脏毒性的时间分辨研究体系，整合转录组测序(RNA-seq)、靶向代谢组学和计算模型等多层次数据，开发了pipeGEM代谢通量分析平台，揭示了线粒体损伤通过逆行信号传导触发代谢重编程的关键机制。

研究采用三大关键技术方法：(1)人源心肌细胞系AC16的时间梯度DOX处理模型(0.1μM, 2-6天)，结合高内涵成像和线粒体功能评估；(2)整合16项公共RNA-seq数据集进行meta分析，覆盖心肌细胞、心脏组织和器官芯片等多模型；(3)基于Human-GEM构建样本特异性代谢模型，通过RIPTiDe算法量化代谢通量变化。此外，研究通过Seahorse能量代谢分析仪和毛细管电泳质谱(CE-MS)验证关键发现。

Confocal imaging reveals morphological alterations in AC16 cells following DOX exposure
通过共聚焦显微镜动态监测发现，0.1μM DOX处理48-144小时后，AC16细胞呈现典型肥大表型：细胞体积增加2.3倍(P<0.0001)，线粒体数量上升1.8倍，伴随膜电位(ΔΨ_m)显著降低。计算机模拟显示DOX剂量超过260μM时会引起线粒体复合物I/III活性骤降，导致活性氧(ROS)爆发性增长，这与实验检测到的mtDNA拷贝数增加2.1倍、细胞内ROS水平升高3.4倍的结果一致。

RNA-seq analysis reveals disrupted signaling pathways in DOX-treated cardiac cells
转录组分析鉴定出1,247个差异表达基因(DEGs)，其中炎症相关基因IL1B、CXCL8表达上调8-12倍，而心肌肥大抑制因子RCAN1下调3.5倍。蛋白互作网络分析显示JAK-STAT和NF-κB通路是主要调控枢纽，上游调控因子预测提示TGF-β1和p53是核心调控因子。值得注意的是，细胞周期正调控因子CCND1的表达增加可能解释了存活细胞的代偿性肥大。

Meta-analysis of DOX-associated studies
对16项独立研究的354个样本进行meta分析，发现47个基因在心肌细胞中呈现一致性调控，包括氧化应激响应基因SOD2和代谢调控因子PGC-1α。与非心肌细胞相比，心肌特异性差异基因显著富集于钙信号通路(Ca²⁺/calcineurin/NFAT)和能量代谢相关通路。

Metabolic model reconstruction and flux simulation
新开发的pipeGEM平台成功构建了样本特异性代谢模型，发现DOX处理组中：①糖酵解通量增加2.1倍；②磷酸戊糖途径(PPP)活性提高1.7倍；③谷胱甘肽代谢受阻。关键代谢基因敲除模拟显示SLC28A3(DOX转运体)和GSTP1(解毒酶)缺失会加剧代谢失衡。

Metabolic alterations in AC16 cells surviving DOX treatment
靶向代谢组学证实DOX处理6天后：①乳酸/丙酮酸比值升高3.2倍；②NADPH/NADP⁺比值下降60%；③中链酰基肉碱积累4.8倍。这种代谢特征与线粒体脂肪酸氧化(FAO)受损、糖酵解代偿性增强的"Warburg效应"类似。

AC16 cells that survive DOX treatment exhibit protective mechanisms
Western blot显示存活细胞中：①复合体IV表达增加2.3倍；②SIRT1去乙酰化酶活性降低40%；③衰老标记物β-半乳糖苷酶阳性细胞增加5.1倍。这种"代谢适应-衰老规避"的平衡可能是心肌细胞在DOX压力下的生存策略。

研究结论揭示DOX诱导心脏毒性存在剂量依赖性双相机制：急性期通过线粒体损伤和ROS爆发导致细胞死亡；亚慢性期则通过线粒体-核逆行信号触发代谢重编程，表现为糖酵解增强、PPP通路激活和抗氧化防御系统重构，最终导致病理性心肌肥大。这一发现为临床开发基于代谢干预的心脏保护策略提供了新思路：针对不同治疗阶段，可分别采用抗氧化剂(急性期)和代谢调节剂(如二甲双胍)来阻断毒性进程。研究建立的pipeGEM分析框架为药物毒性机制研究提供了可推广的多组学整合方案。