超越血流动力学：尿毒症毒素、翻译后修饰与炎症-代谢重塑在尿毒症心肌病中的机制与靶向治疗

《JACC: Basic to Translational Science》：Beyond Hemodynamics: Uremic Toxins, Post-Translational Modifications, and Inflammatory-Metabolic Remodeling in Uremic Cardiomyopathy

　　

慢性肾脏病（CKD）显著影响心血管系统，其中心力衰竭（HF）已成为晚期肾功能障碍患者发病和死亡的主要原因。历史上，“心肾综合征”主要从血流动力学角度被理解：容量超负荷、高血压和神经激素激活的恶性循环促进向心性肥厚，并最终导致泵衰竭。因此，治疗策略主要集中于液体管理、抑制肾素-血管紧张素-醛固酮系统（renin-angiotensin-aldosterone system），以及最近对钠-葡萄糖协同转运蛋白2（SGLT2）的抑制。然而，一个显著的临床悖论仍然存在。终末期肾病患者的心血管死亡率与一般人群相比仍不成比例地高，即使在透析和指南指导药物治疗的现代时代也是如此。此外，与尿毒症相关的心脏表型，常以弥漫性间质纤维化和舒张功能障碍为特征，在最佳血流动力学管理下仍继续进展。近期证据表明，关注点已从血流动力学转向代谢和化学毒性。尿毒症潴留溶质（uremic toxins）的累积创造有害的生化环境，导致细胞功能障碍，而不仅是基因表达改变。具体而言，非酶促翻译后修饰（PTMs），例如尿素衍生氰酸盐诱导的蛋白质氨甲酰化（protein carbamylation），已被确定为关键机制，可结构性地改变长寿命心脏蛋白，使其功能异常或具有免疫原性。这些化学修饰发生在转录之后，这可能解释尿毒症组织中常观察到的转录组谱与功能性蛋白质组之间的不匹配。在本综述中，研究人员探讨尿毒症心肌病的分子基础，特别强调基因型与表型之间的差距。研究人员描述尿毒症毒素如何作为“分子破坏者”，损害线粒体能量学，通过异常PTMs破坏肌节收缩性，并促进细胞外基质（ECM）的不良重塑。最后，研究人员强调迫切需要多组学（multiomics）策略来解码这些复杂相互作用，并发现超越容量控制的新治疗靶点。

该综述由 Elchanan Parnasa、Yair Rokach、Suzan Abedat、Offer Amir、Iddo Z. Ben-Dov 和 Rabea Asleh 撰写，围绕尿毒症心肌病中超越血流动力学的分子机制展开。研究背景在于，慢性肾脏病（chronic kidney disease, CKD，肾功能进行性下降）显著影响心血管系统，心力衰竭（heart failure, HF，心脏泵血功能不足的临床综合征）是晚期肾功能障碍患者发病和死亡的首要原因。传统“心肾综合征”框架主要强调容量超负荷、高血压和神经激素激活所致向心性肥厚与泵衰竭，治疗多集中于液体管理、肾素-血管紧张素-醛固酮系统抑制及钠-葡萄糖协同转运蛋白2（SGLT2）抑制。然而，终末期肾病患者心血管死亡率仍异常升高，且尿毒症相关心脏表型，包括弥漫性间质纤维化和舒张功能障碍，在最佳血流动力学管理下仍进展，因此需要关注代谢与化学毒性。近期证据提示，尿毒症潴留溶质即尿毒症毒素（uremic toxins，肾功能下降时潴留并产生生物效应的溶质）形成有害生化环境，非酶促翻译后修饰（post-translational modifications, PTMs，蛋白合成后的化学修饰），如尿素衍生氰酸盐诱导的蛋白质氨甲酰化（protein carbamylation，氰酸盐对蛋白氨基的共价修饰），可改变长寿命心脏蛋白，使其功能障碍或具有免疫原性，并可能解释转录组与功能蛋白质组不匹配。该综述旨在探讨尿毒症心肌病的分子基础，强调基因型-表型差距，将尿毒症毒素视为“分子破坏者”，并指出多组学策略的必要性。研究人员得出的核心结论是：尿毒症心肌病是由血流动力学和非血流动力学机制共同塑造的心肾表型；氨甲酰化是目前表征最充分的尿毒症相关PTM；多条通路机制上合理但人类因果证据仍有限；治疗应转向生化风险修饰和机制指导的靶向开发。

为开展该综述，研究人员未进行原始实验，而是综合生化、血管、胶原、临床关联、实验心肌病和心血管模型、细胞与动物研究以及临床试验证据，其中包括 CONVINCE、DAPA-CKD、EMPA-KIDNEY、FIGARO-DKD、FLOW 和 STEP-HFpEF 等研究。未来研究建议采用PTM聚焦蛋白质组学（PTM-focused proteomics）、代谢组学（metabolomics）、空间转录组（spatial transcriptomics）、单细胞/单核转录组（single-cell/single-nucleus transcriptomics）、克隆性造血不确定潜能（CHIP）评估及配对血浆-心肌分析。

在“Defining Uremic Toxins: Classes, Origins, and Cardiac Relevance（尿毒症毒素定义：类别、来源和心脏相关性）”部分，研究人员指出尿毒症毒素是肾功能下降时潴留并产生生物效应的溶质。小分子水溶性溶质如尿素、肌酐、磷酸盐和尿酸相对可透析，但仍可通过下游活性中间体或炎症通路产生毒性；中分子如β₂-微球蛋白和部分炎症介质较难被常规透析清除；蛋白结合型尿毒症毒素（PBUTs）因与白蛋白结合而清除差；化学反应性亚组包括氰酸盐（cyanate^?）和异氰酸（HNCO），可诱导非酶促PTMs，尤其是蛋白质氨甲酰化。不同毒素类别可通过蛋白修饰、内皮功能障碍、炎症、氧化应激及蛋白结构或功能改变影响心血管系统。

在“The Biochemical Burden: From Uremic Toxins to Protein Modification（生化负担：从尿毒症毒素到蛋白质修饰）”部分，PTMs包括非酶促化学修饰和酶调控修饰。酶调控修饰如激酶/磷酸酶、乙酰转移酶/去乙酰化酶、甲基转移酶/去甲基化酶催化的可逆变化，可影响钙处理、线粒体适应、蛋白质稳态和肥大基因表达；糖尿病合并肾损伤小鼠模型显示肾损伤与组蛋白H3乙酰化和磷酸化增加、组蛋白甲基化改变、心肌病相关基因诱导及心肌细胞肥大相关，但人类尿毒症心肌的系统映射仍缺乏。非酶促过程包括氨甲酰化、氧化、糖化相关修饰等，可改变蛋白电荷、构象、结合能力、降解和免疫原性。氨甲酰化白蛋白（C-Alb）与肾衰竭死亡率相关；氨甲酰化低密度脂蛋白（LDL）促进内皮功能障碍和动脉粥样硬化性血管损伤；整体蛋白氨甲酰化与CKD进展和死亡率相关；蛋白氨甲酰化还与糖尿病终末期肾病患者的HF和死亡率相关；氨甲酰化胶原改变胶原结构和炎症活性，连接尿毒症化学、基质重塑和心肌僵硬。

在“Urea-derived cyanate formation and protein carbamylation（尿素衍生氰酸盐形成与蛋白质氨甲酰化）”部分，尿素在水中自发解离为氰酸盐^?和铵，氰酸盐与质子化、更具亲电性的HNCO呈pH依赖平衡。晚期CKD尿素显著累积，促进非酶促蛋白氨甲酰化。髓过氧化物酶介导的硫氰酸盐氧化是炎症和吸烟状态下氰酸盐的额外来源。HNCO与赖氨酸残基ε-氨基或蛋白N端α-氨基共价结合，形成同型瓜氨酸，导致正电荷赖氨酸变为中性同型瓜氨酸，改变静电环境、构象，使蛋白功能障碍、易聚集或具免疫原性。C-Alb丧失配体结合能力，是CKD队列死亡和HF事件的强预测因子；氨甲酰化LDL逃避LDL受体识别并增加清道夫受体亲和力，促进内皮功能障碍和泡沫细胞形成。Sortilin的胞外域赖氨酸氨甲酰化随肾功能下降增加，增强其对白细胞介素-6（IL-6）的亲和力并促进血管钙化；在CKD患者中，氨甲酰化Sortilin与冠状动脉钙化存在及更快进展独立于年龄和肾功能相关。心脏因蛋白寿命长而易受“化学围攻”：I型胶原、弹性蛋白及肌节蛋白半衰期长，氨甲酰化蛋白清除慢，形成尿毒症暴露的累积“分子记忆”。质谱研究显示氨甲酰化胶原抵抗基质金属蛋白酶（MMPs）降解并形成异常交联，促成间质纤维化；氨甲酰化蛋白累积还与线粒体解偶联和氧化应激相关，导致先于机械衰竭的生物能量缺陷。

在“Structural Sabotage: ECM Remodeling and Sarcomeric Dysfunction（结构破坏：ECM重塑和肌节功能障碍）”部分，心脏ECM为心肌细胞排列和力传导提供支架，I型胶原是主要结构蛋白且半衰期极长。尿毒症条件下HNCO氨甲酰化胶原赖氨酸残基，改变三螺旋结构和静电特性，使胶原纤维抵抗MMP切割，破坏胶原产生与降解平衡，导致净积累、病理性交联、弥漫性间质纤维化和心肌僵硬。氨甲酰化胶原还具有促炎性，可作为中性粒细胞激活配体，维持局部炎症并刺激纤维化信号。心肌细胞能量代谢也可能受累，线粒体功能障碍和氧化应激与HF及CKD相关心脏重塑有关，但人类尿毒症心肌中氨甲酰化线粒体蛋白的直接映射仍有限。铁死亡（ferroptosis）是铁依赖性调节性细胞死亡，由膜磷脂过氧化物积累驱动，System X_c^?-谷胱甘肽（GSH）-谷胱甘肽过氧化物酶4（GPX4）通路是核心防御；CKD中氧化应激、铁稳态改变、线粒体功能障碍和尿毒症溶质可能降低铁死亡阈值，铁死亡损伤可释放损伤相关分子模式并放大炎症和纤维化，但人类尿毒症心肌直接证据仍缺乏。肌节蛋白如肌球蛋白和肌钙蛋白周转慢，PTMs可逐渐累积；尽管人类心脏肌节氨甲酰化位点仍在研究，氨甲酰化对蛋白电荷和形状的影响提示可直接破坏兴奋-收缩偶联；“化学记忆”可解释短期透析或肾移植后心脏功能不能立即恢复，因为结构蛋白在尿毒症环境纠正后仍长期化学改变。

在“The Signaling Overdrive: FGF23, Klotho, and Sterile Inflammation（信号过度驱动：FGF23、Klotho和无菌炎症）”部分，成纤维细胞生长因子23（FGF23）是骨源性磷尿激素，在肾中需膜结合α-Klotho作为共受体，促进尿磷排泄并抑制骨化三醇合成。CKD进展时肾α-Klotho表达下降而循环FGF23升高，二者互为CKD相关矿物质和骨异常组成部分。FGF23显著升高时可通过成纤维细胞生长因子受体4（FGFR4）不依赖Klotho直接作用于心肌细胞，激活磷脂酶Cγ-钙调磷酸酶-活化T细胞核因子（NFAT）信号并诱导肥大；实验CKD模型中阻断或敲除FGFR4可减轻左心室肥厚，但人类中FGF23应视为矿物质代谢紊乱生物标志和可能介质，而非完全确立的因果驱动因素。可溶性α-Klotho可能具有不依赖FGF23的心脏保护作用，实验显示其可抑制瞬时受体电位经典通道6（TRPC6）并防止应激诱导的心脏肥大和重塑；实验尿毒症心肌病中增加Klotho可改善心功能，至少部分通过保留心肌钙处理。CKD中FGF23升高和Klotho降低可能通过互补机制影响心脏，但选择性FGFR4抑制或恢复Klotho能否改善人类尿毒症心肌病仍未解决。无菌炎症方面，内源性危险信号包括线粒体活性氧（mtROS）、尿酸相关损伤、氨甲酰化蛋白和PBUTs，与NLRP3炎症小体激活相关；NLRP3激活促进caspase-1依赖性白细胞介素-1β（IL-1β）和IL-18成熟，放大成纤维细胞活化和炎症重塑，但人类尿毒症心肌直接证据有限。CHIP尤其涉及四甲基胞嘧啶双加氧酶2（TET2），支持CHIP、CKD和心血管风险关联；TET2缺陷巨噬细胞显示IL-1β/NLRP3反应增强并加速心血管炎症表型，但CHIP应视为可能的骨髓免疫修饰因素，而非人类尿毒症心肌病已确立因果机制。

在“The Gut-Kidney-Heart Axis: Protein-Bound and Other Microbiota-Derived Uremic Solutes（肠-肾-心轴：蛋白结合型和其他微生物来源尿毒症溶质）”部分，肠源性尿毒症潴留溶质化学异质，不应全部归为PBUTs。硫酸吲哚酚（IS）和对甲酚硫酸盐是研究最充分的PBUTs，因与血浆蛋白结合而常规透析清除差；苯乙酰谷氨酰胺（PAGln）蛋白结合亲和力较低，主要依赖肾小管分泌清除；氧化三甲胺（TMAO）是小分子水溶性代谢物，循环浓度强烈受肾功能影响。IS经有机阴离子转运体摄取后可激活芳烃受体（AhR），实验提示IS-AhR信号增加炎症细胞因子表达并促进心脏成纤维细胞活化；IS还与微小RNA-21（miR-21）相关通路等非编码RNA信号改变相关，可能强化促纤维化重塑，但人类尿毒症心肌直接验证仍不完整。PAGln在原始机制研究中与人类心血管病相关，并在实验系统中通过肾上腺素能受体包括α_2A、α_2B和β₂受体促进血小板反应性和血栓相关表型，但其对尿毒症心肌病的特定贡献仍未明确。实验还提示IS可抑制单磷酸腺苷活化蛋白激酶（AMPK），增加线粒体ROS积累、三磷酸腺苷耗竭和病理肥大信号，但人类主导机制未确立。尿毒症肠道还可因高尿素、尿素酶阳性细菌产氨和肠缺血破坏上皮紧密连接，使脂多糖（LPS）易位并导致慢性低度内毒素血症；LPS激活Toll样受体4（TLR4），触发核因子-κB（NF-κB）依赖炎症信号，与其他尿毒症毒素共同促进心脏纤维化和细胞损伤。TMAO实验研究提示可促进线粒体ROS、NLRP3炎症小体激活、心肌肥大和纤维化，但在人类CKD/HF中既是肠道微生物代谢和肾清除改变的生物标志，也可能是心血管重塑的合理介质，独立驱动人类尿毒症心肌病的直接证据有限。短链脂肪酸（SCFAs）包括丁酸，参与免疫调节、组蛋白去乙酰化酶抑制和心血管代谢信号；SCFA可用性降低可能削弱抗炎或抗肥大信号并增加心脏炎症易感性，但直接因果证据有限。

在“From Molecular Mechanisms to Therapeutic Targets（从分子机制到治疗靶点）”部分，传统治疗基于广泛HF患者，但尿毒症独特分子环境提示治疗还应视为生化风险修饰。常规高通量血液透析清除小分子水溶性溶质优于中分子和PBUTs；高剂量血液透析滤过（HDF）可改善选定中分子清除，并在CONVINCE试验中与常规高通量血液透析相比改善生存，但是否直接降低心肌PTMs、胶原氨甲酰化或毒素诱导炎症重塑仍未回答。SGLT2抑制剂主要作用于近端肾小管，增加尿糖和钠排泄，恢复管球反馈，降低肾小球高压，减缓CKD进展；DAPA-CKD和EMPA-KIDNEY显示减少CKD患者肾病进展和HF相关结局。实验和转化研究提示SGLT2抑制剂诱导类似营养剥夺的细胞状态，激活AMPK和Sirtuin 1（SIRT1），抑制哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mTOR）信号，增强自噬流，可能清除损伤蛋白和功能障碍线粒体；但人类机制未完全确立，且无直接证据表明其逆转心肌蛋白氨甲酰化。盐皮质激素受体拮抗剂（MRAs）靶向不同炎症和纤维化通路，盐皮质激素受体是配体激活转录因子，病理性激活促进钠潴留、ROS、内皮功能障碍、炎症细胞招募、成纤维细胞活化和胶原合成；非奈利酮（finerenone）是选择性非甾体MRA，在FIGARO-DKD中减少CKD合并2型糖尿病患者心血管事件，但是否直接减少胶原氨甲酰化或其他毒素诱导心肌PTMs仍未知。胰高血糖素样肽1受体激动剂（GLP-1 RAs）通过代谢、神经体液及可能抗炎机制产生心肾获益；GLP-1受体为B类G蛋白偶联受体，主要经G_s介导腺苷酸环化酶激活和环磷酸腺苷（cAMP）生成，在胰腺β细胞通过蛋白激酶A（PKA）和cAMP直接激活的交换蛋白（Epac）增强葡萄糖依赖性胰岛素分泌，抑制胰高血糖素，延迟胃排空，中枢抑制食欲。FLOW试验中semaglutide减少2型糖尿病合并CKD患者主要肾病事件和心血管死亡；STEP-HFpEF中semaglutide改善肥胖相关HFpEF患者症状、体能限制和运动功能。实验提示GLP-1 RAs可减弱氧化应激和NF-κB、NLRP3炎症小体相关炎症信号，但应视为整体系统效应而非单一直接心肌机制。肠道方面，GLP-1 RA可改变微生物组并可能改善上皮紧密连接和黏膜屏障，减少LPS易位；但微生物组反应因药物、模型和宿主代谢状态而异，Akkermansia muciniphila增加不应视为普遍必要介质，直接减少PBUT、逆转毒素诱导PTMs或改善人类尿毒症心肌纤维化证据仍有限。

在“Resolving the Human Uremic Myocardium at Cellular and Spatial Resolution（在细胞和空间分辨率解析人类尿毒症心肌）”部分，直接研究人类心肌组织是确定通路在特定心脏细胞群和组织区室中是否操作的必要途径。单细胞和单核转录组可区分心肌细胞、成纤维细胞、内皮细胞、血管周围细胞和免疫细胞状态，识别细胞类型特异性应激、炎症和纤维化程序，但组织解离或核分离会失去微解剖组织信息。空间转录组保留组织架构，将分子程序定位到纤维化、血管、炎症或心肌细胞丰富龛，并可研究空间限制的细胞-细胞互作。整合这些方法与PTM聚焦蛋白质组学和匹配循环测量，可确定氨甲酰化、FGF23-Klotho失调、线粒体应激和炎症激活是否在同一心肌区域汇聚或在不同细胞区室产生；但专门针对人类尿毒症心肌的空间分辨和单细胞研究仍缺乏。

在“Conclusion and Future Directions: From Hemodynamic Control to Biochemical Risk Modification（结论与未来方向：从血流动力学控制到生化风险修饰）”部分，研究结论可翻译并总结为：总体证据支持扩展尿毒症心肌病观点，即其是由血流动力学和非血流动力学机制共同塑造的心肾表型。除压力超负荷、容量扩张、高血压和神经激素激活外，潴留溶质、蛋白结合毒素、矿物质代谢异常、炎症信号、线粒体应激和PTMs可能参与CKD心肌重塑。其中氨甲酰化是表征最充分的尿毒症相关PTM，证据连接尿素衍生氰酸盐化学与白蛋白、LDL和胶原结构改变、血管功能障碍、CKD进展及不良心血管结局；但人类尿毒症心肌中毒素诱导PTMs直接映射仍有限。该框架整合了FGF23/Klotho失衡、肠源毒素信号、炎症小体激活、铁死亡、克隆性造血相关免疫启动和线粒体质量控制受损等部分重叠通路；这些通路不应被解释为人类尿毒症心肌病各自已证实的病因，而是机制上合理且日益可测试的贡献因素，可能与传统血流动力学应激相互作用。未来研究应确定哪些通路为因果、代偿或仅相关。治疗上，高剂量HDF可能改善选定溶质清除，SGLT2抑制剂可能支持线粒体质量控制和自噬流，非甾体MRAs可能减弱炎症-纤维化重塑，GLP-1 RAs可能影响全身炎症、肠屏障完整性和心血管代谢应激；但这些治疗是否直接减少心肌氨甲酰化、逆转毒素诱导PTMs或修饰人类尿毒症心脏组织重塑仍未解决。未来应优先获取人类心肌直接证据，PTM聚焦蛋白质组学、代谢组学、空间转录组、单细胞/单核分析、CHIP评估和配对血浆-心肌分析可能识别可操作的生化通路；将尿毒症心肌病视为血流动力学负荷和生化损伤共同所致，可推动机制指导风险分层和靶向治疗，同时需谨慎对待当前人类因果证据的限制。