对HFpEF（ hearts with preserved ejection fraction，射血分数保留的心脏病）进展和消退的多组学分析揭示了多器官特异性的代谢紊乱以及炎症消退能力的受损

《Metabolism》：Multi-omics analyses of HFpEF progression and regression reveals multi-organ-specific metabolic dysregulation and impaired inflammation resolution

　　

摘要

背景

射血分数保留的心力衰竭（HFpEF）是一种复杂的心脏代谢综合征，目前有效的治疗手段有限。由于其异质性，尚不清楚去除心脏代谢压力是否能够逆转与HFpEF相关的炎症、代谢和分子重塑。

目的

利用平行多组学分析，在肥胖-高血压HFpEF模型中表征多器官的代谢、分子和生物活性脂质重塑，并确定在8周高脂饮食停用和L-NAME停止方案期间的康复程度。

方法

通过高脂饮食加一氧化氮合酶抑制剂（H+L）在C57BL/6小鼠中诱导HFpEF。一组小鼠（R-H+L）同时恢复标准饮食并停止使用L-NAME，持续8周。多组学分析包括靶向和非靶向脂质组学、心脏转录组学、代谢组学、粪便微生物组及血浆短链脂肪酸检测，并对左心室进行详细评估。

结果

H+L组小鼠出现了肥胖-高血压HFpEF表型，其特征主要是舒张功能障碍、向心性心肌重塑、高血压和脂肪量增加。H+L组合处理减轻了这些表型异常，但并未使所有指标完全恢复到正常水平。H+L处理导致多器官重塑，表现为花生四烯酸衍生的氧脂质途径改变、三酰甘油和磷脂减少，而二酰甘油和溶血磷脂增多，这与脂质信号传导的改变一致。心脏转录组学显示免疫、昼夜节律、血管和线粒体基因表达谱变化，而代谢组学则显示能量代谢、精氨酸代谢和氧化还原代谢异常。H+L处理还导致微生物多样性下降及短链脂肪酸（尤其是乙酸盐和丙酸盐）变化。在8周的康复期内，部分指标有所改善，但脂质信号传导、代谢应激反应和微生物组相关指标仍存在差异。

结论

HFD/L-NAME模型伴随广泛的多器官代谢和分子重塑。虽然HFD/L-NAME的联合去除改善了HFpEF表型，但在8周的康复期内未能完全恢复正常分子状态。持续的脂质重塑和代谢紊乱可能成为潜在的治疗靶点，因此需要针对具体通路进行进一步研究。

引言

由肥胖引起、射血分数保留的心力衰竭（HFpEF）是一个日益严重的临床问题，占所有心力衰竭病例的一半以上，但其背后的代谢和分子机制仍不甚明了[1],[2],[3],[4]。尽管HFpEF的管理方法和现代研究工具有所进步，但至今尚无治疗方案能够一致改善患者预后，这表明我们对HFpEF的理解仍然有限[5]。当前的临床框架将HFpEF描述为一种多系统疾病，其中肥胖、高血压和糖尿病导致冠状动脉微血管功能障碍、心肌硬化和运动耐受性降低[6]。最近的多组学和系统级研究进一步揭示了心脏和周围组织中的广泛免疫代谢重塑，突出了与HFpEF异质性和疾病进展相关的特异性炎症、脂质组和代谢特征[7],[8]。临床研究区分了不同表型，表明HFpEF存在不同的亚型，这些亚型对治疗的反应各不相同[9]。

多组学的进展开始揭示HFpEF背后的器官间代谢和分子复杂性，涉及脂质代谢、内皮信号传导、免疫激活和线粒体能量代谢的協同紊乱[10],[11],[12],[13]。临床和转化研究确定了重要的生物活性脂质介质，包括二十烷酸类和多不饱和脂肪酸（PUFA）衍生物，它们在HFpEF中连接代谢应激、炎症、血管张力和运动耐受性障碍[12],[14]。然而，现有研究大多集中在特定组织类型或单一组学通路，对我们理解不同组学如何在器官间相互作用以促进HFpEF的发生仍存在重要空白。

生活方式的改变是HFpEF管理的重要组成部分，因为肥胖、胰岛素抵抗和代谢综合征是其发病机制的关键因素。英国生物银行的研究发现，即使是在睡眠、体力活动和饮食质量方面进行小的综合改善，也能使心脏病发作、中风、心力衰竭和其他主要心血管事件的风险降低57%[15]。在分子和细胞层面，饮食、睡眠和运动模式的紊乱会促进炎症并阻碍其恢复[16],[17],[18],[19]。临床和临床前研究显示，减重、热量限制和代谢干预可以改善HFpEF患者的功能能力、血流和心脏指标[20],[21],[22],[23],[24]。然而，目前尚不清楚去除心脏代谢压力是否能完全逆转潜在的分子网络，或者仅产生部分、组织依赖性的康复效果。为了解决这一问题，我们在HFD/L-NAME模型中应用了并行多器官分析方法，包括生物活性脂质介质、非靶向脂质组学、心脏转录组学、代谢组学和微生物组学[10]。我们研究了在同时恢复标准饮食和停止使用L-NAME后的分子恢复情况。这种设计能够反映联合应激去除后的康复过程，但无法区分饮食正常化、血压降低或一氧化氮信号传导恢复的作用。我们假设肥胖-高血压HFpEF模型会导致多器官代谢重塑，尤其是在心脏和肝脏中，且在H+L联合处理后组织会表现出差异性恢复。在本研究中，“修复缺陷”指的是在去除心脏代谢压力后，代谢炎症（metainflammation）未能完全消除，表现为持续的炎症和代谢特征以及与修复相关的脂质介质未能完全正常化。我们的分析确定了在8周后仍未完全正常化的生物活性脂质介质、转录组学、代谢和微生物组学特征，这支持了“修复缺陷”表型的存在。这些关联仅用于提出假设，并不意味着任何单一通路直接驱动HFpEF的进展或导致不完全恢复。临床上HFpEF相关功能指标（如血流和心脏成像参数）的改善可能与分子恢复不一致，这可能提示存在残留风险。在本模型中，HFD和L-NAME的联合去除在8周观察期内产生了中等程度的适应性分子变化。在将这些发现用于患者分层或治疗选择之前，还需要进行人类验证。

节选

数据可用性

作者表示，所有支持数据都包含在文章及其在线补充文件中。完整的材料和方法信息可在补充方法部分找到。

动物实验合规性

所有动物实验均严格遵循《实验室动物护理和使用指南》（第8版，2011年）及AVMA《动物安乐死指南》（2013年）的规定进行。实验方案（USF IACUC #11511R）已获得机构动物护理和使用委员会的审核和批准。

HFD+L-NAME诱导的心力衰竭（HFpEF）表现为以舒张功能障碍、代谢重塑和高血压为主要特征

为了研究HFpEF中的代谢重塑，我们在雄性C57BL/6小鼠中使用高脂饮食（HFD）和一氧化氮合酶抑制剂（L-NAME，H+L）建立了一种双打击模型。暴露于H+L 8周后，小鼠被随机分为对照组（CON）、HFD+L-NAME组（H+L）或联合恢复组（R-H+L）。每周使用DEXA监测体成分，并进行心脏功能评估以表征表型（图1A）。体重参数显示...

讨论

我们在HFD/L-NAME双打击模型以及联合恢复方案后，对靶向氧脂质、非靶向脂质、心脏转录本、代谢物、短链脂肪酸（SCFAs）和微生物组进行了并行多组学分析。这种跨平台比较显示，尽管部分表型有所改善，但系统和心肌的分子重塑仍未完全恢复正常。这些发现与临床证据一致，表明HFpEF是一种系统性的、多器官的心脏代谢综合征。

局限性

需要考虑几个局限性。首先，本研究仅使用年轻雄性小鼠的HFD/L-NAME模型。人类HFpEF主要影响老年人，且女性患者比例较高[3]。因此，当前模型可能无法完全反映性别和年龄导致的免疫反应、脂肪重塑、纤维化、血管生物学和激素信号传导的差异。其次，HFD的去除和L-NAME的停止是同时发生的。

作者署名贡献声明

Vasundhara Kain：撰写 – 审稿与编辑；原始草稿撰写；数据可视化；方法验证；实验设计；数据分析；形式分析。Gunjan Upadhyay：撰写 – 审稿与编辑；数据验证；方法验证；形式分析；数据分析。Kumari Suraksha：数据验证；方法验证；形式分析；数据分析。Shujin Li：数据验证；方法验证；形式分析；数据分析。Punith M. Sundaraswamy：数据验证；方法验证；形式分析；数据分析。Jayashankar

伦理声明

本研究遵循ARRIVE（动物研究：体内实验报告）指南进行。该研究已获得南佛罗里达大学机构动物护理和使用委员会的批准（批准号：USF IACUC #11511R）。

资金来源

本研究部分由USF Health和日本学术振兴会资助（授予Dr. SBG和GVH的资助编号：26K1453206）。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

我们感谢USF脂质组学核心设施和Wistar蛋白质组学与代谢组学核心设施在左心室和血浆样本代谢组学分析方面的支持。人工智能（AI）软件仅用于改善语法、语言流畅性和文本结构。所有科学内容、解释和结论均由作者完成。

Vasundhara Kain|Gunjan Upadhyay|Kumari Suraksha|Shujin Li|Punith M. Sundaraswamy|Jayashankar Jayaprakash|Divyavani Gowda|Nikhil Chainani|Nitin Krishna|Megan Ghobrial|Alexandra Fouad|Shu-Ping Hui|Sidharth P. Mishra|Nathan Hall|Zhi Tan|Nohely Hernandez Soto|Ruisheng Liu|Shalini Jain|Siddabasave Gowda B. Gowda|Hariom Yadav|Ganesh V. Halade

美国佛罗里达大学莫尔萨尼医学院心血管科学系心脏研究所，坦帕，FL-33602，美国