呋喃脂肪酸经稳定酰基辅酶A缀合物重编程肝脏脂质代谢并改善肥胖相关代谢功能障碍

《SCIENCE ADVANCES》：Furan fatty acids reprogram hepatic lipid metabolism via acyl-CoA conjugates in obesity

　　

膳食鱼油（FO）和omega-3脂肪酸与心脏代谢获益相关，但其分子介导因素仍未完全明确。呋喃脂肪酸（FuFAs）是富含于FO中的一类独特脂质，已成为代谢健康的潜在调节因子。在本研究中，研究人员识别并定量了处方omega-3制剂和天然鱼油中的FuFA种类，并合成了结构工程化类似物，旨在将抗氧化活性和β-氧化易感性从FuFA生物活性中分离。在饮食诱导肥胖（DIO）小鼠模型中，天然和合成FuFAs均减少脂肪蓄积和炎症标志物，而11U3-2M还显著改善葡萄糖耐量、血脂异常和肝脂肪变性。11U3-2M的优越活性反映其酰基辅酶A（acyl-CoA）缀合物的稳定蓄积，该缀合物激活过氧化物酶体增殖物激活受体α（PPARα）信号并变构抑制乙酰辅酶A羧化酶（ACCs），从而重编程肝脏脂质代谢。这些发现将FuFAs定位为功能性膳食脂质，参与鱼油的代谢效应，并界定了调控肝脏代谢活性的脂肪酸结构决定因素。

肥胖影响全球超过三分之一人群，并增加心血管疾病、2型糖尿病和部分癌症等慢性非传染性疾病风险；肝脏通过调控脂肪酸摄取、脂质生成、氧化和脂蛋白代谢处于中心地位。海洋来源omega-3多不饱和脂肪酸（PUFAs），尤其二十碳五烯酸（EPA）和二十二碳六烯酸（DHA），可降低高脂血症患者甘油三酯并降低心血管风险，但其分子介导机制尚未完全阐明。既往研究提示补充omega-3后血浆3-羧基-4-甲基-5-丙基-2-呋喃丙酸（CMPF）积累，CMPF在饮食诱导肥胖小鼠中保护肝脂肪变性和炎症，却对胰岛β细胞有不良影响。呋喃脂肪酸（FuFAs）是富含于鱼油、藻类和omega-3补充剂中的次要脂质，含富电子取代呋喃环，具自由基清除特性，但其结构与肝脏代谢活性关系不清。因此，研究人员假设FuFAs是功能性脂质介质，其抗氧化化学、β-氧化易感性和酰基辅酶A（acyl-CoA）缀合物稳定性决定肝脏代谢活性，并开展结构解耦研究。论文发表于《SCIENCE ADVANCES》。

关键技术方法包括：采用气相色谱-质谱（GC-MS）及N-乙基马来酰亚胺（NEM）衍生化液相色谱-质谱（LC-MS）解析并定量鱼油、Lovaza和人血浆FuFA；化学合成11U3、11U3-2M及11U3-2M-CoA；使用C57BL/6J小鼠高脂饮食诱导肥胖（DIO）模型、原代肝细胞及肝细胞特异性PPARα敲除（PPARα HKO）小鼠；开展小鼠cassette药代和大鼠14天重复给药药代；以RNA测序（RNA-Seq）、qPCR和原位杂交分析转录；用Oroboros高分辨呼吸测定、柠檬酸合酶活性、热位移实验、¹³C-乙酸/¹³C-葡萄糖稳定同位素示踪及LC-MS/MS脂质/酰基肉碱/神经酰胺/CoA定量。人血浆样本来源于临床试验NCT00682318。

研究结果：1. 呋喃脂肪酸广泛存在于Lovaza、鱼油来源及补充Lovaza患者的人血浆中：通过GC-MS和NEM衍生化LC-MS分析商业鱼油、Lovaza、植物油、磷虾油、橄榄油及补充Lovaza者血浆，发现FuFAs广泛存在，11D3和9M5分别约占总FuFAs的37%和33%，人血浆中11D5富集而11D3下降。2. 化学工程化FuFAs的设计与合成：以11D3为骨架设计去除呋喃环甲基的11U3和引入gem-二甲基抗β-氧化的11U3-2M，合成了结构工程化FuFAs。3. 口服和腹腔给药后的FuFA血浆水平：通过小鼠cassette药代（口服和腹腔50 mg/kg）发现11D3和11U3主要以甘油酯化形式存在，11U3-2M仅以游离酸循环且循环浓度更高。4. 11U3-2M改善DIO小鼠葡萄糖代谢：高脂饮食（HFD）16周后治疗4周，葡萄糖耐量试验显示11U3-2M显著降低血糖峰值和曲线下面积，并降低胰岛素、C肽2和胃抑制多肽。5. 11U3-2M减轻DIO小鼠肝脂肪变性：7周治疗中11U3-2M减轻体重增加、皮下脂肪和总脂肪比例，改善肝大体和组织学，降低NAFLD活动评分和TNF-α，ALT呈下降趋势。6. 11U3-2M防止饮食诱导的血脂异常：LC-MS定量显示11U3-2M降低血浆胆固醇酯和甘油三酯；非靶向脂质组学及靶向验证显示其恢复肝脏神经酰胺和鞘磷脂，并降低心血管风险相关神经酰胺比值。7. 呋喃脂肪酸降低心血管危险因素并可能预防心血管疾病：小鼠血浆及按CMPF分层的人血浆分析显示11U3-2M降低多种神经酰胺，低CMPF四分位者心血管风险相关神经酰胺更高，CMPF与这些神经酰胺呈负相关。8. 11U3-2M激活脂肪酸β-氧化和PPARα相关通路：RNA-Seq和通路分析显示11U3-2M激活脂肪酸β-氧化、线粒体L-肉碱穿梭、甘油三酯降解和PPARα；qPCR验证Pdk4、Ehhadh、Gm15441升高、Gm10804降低；PPARα报告基因和PPARα HKO原代肝细胞证实其作用依赖PPARα。9. 11U3-2M增加线粒体氧消耗：第二项11周研究用Oroboros发现11U3-2M增加柠檬酸合酶活性和棕榈酰肉碱驱动氧消耗，降低肝malonyl-CoA，增加肝和血浆中链二羧酰基肉碱C₆、C₈、C₁₀，全身呼吸交换率和能量消耗未见变化。10. 11U3-2M形成稳定CoA加合物，通过变构调节ACC和ACLY调控脂肪酸合成：原代肝细胞pulse-chase和肝组织定量显示11U3-2M-CoA稳定蓄积并远高于11U3-CoA；热位移实验显示11U3-2M-CoA稳定ACC和ACLY而不稳定AMPK；¹³C-乙酸和¹³C-葡萄糖示踪显示其抑制从头脂质合成，与TOFA相当；无细胞酶实验显示11U3-2M-CoA抑制ACC1的IC₅₀为1.66 μM、ACC2的IC₅₀为4.14 μM。11. 11U3-2M具有优异生物利用度和药代动力学性质：大鼠14天重复给药药代显示25 mg/kg口服生物利用度89.5%，AUC随剂量增加；75 mg/kg第14天暴露下降，氧化代谢物增加，提示高剂量诱导代谢。

讨论部分总结：讨论指出，FuFAs是鱼油和omega-3制剂中常被忽视的次要生物活性成分；CMPF虽具肝保护作用，但对β细胞有不良影响，因此研究人员以去构建和理性工程化策略分离FuFA结构特征。研究发现β-氧化抗性是肝脏代谢活性的主导结构决定因素；11U3-2M以游离酸循环，优先门静脉递送和肝脏积累，形成稳定11U3-2M-CoA，作为诱饵脂肪酸同时变构抑制ACC/ACLY并激活PPARα转录重编程，促进脂肪酸氧化、抑制从头脂质合成。自然FuFAs与11U3-2M呈分级效应，后者在多个代谢终点达统计学显著。生理相关剂量下145 mg FuFA/day较3–4 g/day omega-3低约20倍。60% HFD模型不能完全复现晚期MASLD纤维化，需在MASH特异性饮食模型验证；稳定酰基CoA的信号容量可能超出已表征靶点。

研究结论部分翻译：总体而言，研究证明FuFAs在生理相关膳食水平可诱导与鱼油（FO）和omega-3脂肪酸相似的小鼠代谢反应。重要的是，omega-3生物合成涉及多个酶促步骤且通常需要较高药理剂量（3–4 g/day）才能产生可测效应，而研究人员评估的FuFA剂量为145 mg/day，比omega-3剂量低20倍。这表明FO中天然存在的痕量FuFA参与FO公认的代谢益处。三种FuFA化合物一致观察到选择性降低皮下脂肪量并保留瘦体重，且食物摄入或能量消耗无变化。瘦体重保留与GLP-1受体激动剂如semaglutide所报道的肌肉消耗形成对比，可能代表具有临床意义的优势。60% HFD模型已成熟用于诱导肥胖相关胰岛素抵抗、肝脂肪变性和血脂异常，但不能完全重现晚期MASLD的组织学标志包括显著纤维化；因此，在MASH特异性饮食模型中评估是优先的下一步，以建立对MASLD的转化相关性。