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苯丙酮尿症（PKU）是最常见的常染色体隐性氨基酸代谢障碍疾病，其特征是由苯丙氨酸（Phe）水平持续升高引起的神经功能障碍和系统性代谢改变。长期以来的研究报告显示PKU患者的代谢率降低和体温调节受损，但棕色脂肪组织（BAT）在这种情况下的作用仍然未知。本研究采用
苯丙酮尿症（PKU）是最常见的常染色体隐性氨基酸代谢障碍疾病，其特征是由苯丙氨酸（Phe）水平持续升高引起的神经功能障碍和系统性代谢改变。长期以来的研究报告显示PKU患者的代谢率降低和体温调节受损，但棕色脂肪组织（BAT）在这种情况下的作用仍然未知。本研究采用无创红外热成像技术评估了一个主要由儿童和青少年组成的队列（包括对照组、轻度高苯丙氨酸血症（MHPA）和PKU患者）的BAT活性，同时分析循环代谢和激素参数与BAT温度的相关性。尽管总体体温正常，PKU患者的BAT温度高于对照组和MHPA患者，这与循环成纤维细胞生长因子21（FGF21）和甲状腺激素相关。为了获得机制性见解，研究人员对大鼠和小鼠进行了FGF21中枢给药，再现了BAT产热表型，并伴有下丘脑AMP活化蛋白激酶（AMPK）活性降低和交感神经向BAT的输出增加。一致地，公共单细胞RNA测序数据分析揭示了AMPK、甲状腺激素受体和FGF21受体信号在特定下丘脑神经元群体中的汇聚表达。这些发现揭示了PKU中BAT产热增强，并证明Phe诱导的FGF21通过下丘脑AMPK抑制破坏能量稳态。
**论文解读：苯丙酮尿症中棕色脂肪组织产热增强的机制研究**
**研究背景与问题**
苯丙酮尿症（PKU）是最常见的常染色体隐性氨基酸代谢障碍疾病，由肝脏L-苯丙氨酸-4-羟化酶（PAH）缺乏（98%–99%病例）或辅因子四氢生物蝶呤（BH4）缺乏（1%–2%病例）引起，导致苯丙氨酸（Phe）蓄积和酪氨酸（Tyr）合成不足。未治疗的PKU患者常出现全面发育迟缓、小头畸形、严重智力障碍、生长受损、运动缺陷及癫痫等临床表现。尽管早期低Phe饮食治疗可改善预后，但PKU对能量平衡调控的影响仍不明确。既往研究显示PKU患者基础代谢率降低、体温调节受损（如冷暴露后无法有效维持体温），然而棕色脂肪组织（BAT）在该疾病中的角色尚属未知。考虑到Phe等N-酰基氨基酸在人类脂肪细胞中是强效线粒体解偶联剂，且PKU患者循环甲状腺激素（THs）和成纤维细胞生长因子21（FGF21）水平存在升高趋势，研究人员推测BAT产热可能在PKU中被异常调控。本研究旨在明确PKU患者中BAT产热的变化，并探索其分子机制。
**研究人员开展的研究与结论**
研究人员招募了来自西班牙两家医院的86名白种人儿童和青少年队列（39名对照、23名轻度高苯丙氨酸血症（MHPA）、24名PKU），利用非侵入性红外热成像技术测量BAT温度，结合循环代谢和激素参数进行关联分析。结果显示，尽管所有受试者体温正常，PKU患者BAT温度显著高于对照和MHPA组，且与循环FGF21和游离甲状腺素（fT4）水平升高相关。通过体外培养人类THLE-2肝细胞和SGBS脂肪细胞，研究人员发现Phe以剂量和时间依赖性方式诱导肝细胞FGF21 mRNA和蛋白表达，但对脂肪细胞作用较弱，提示PKU中增高的FGF21主要源于肝脏。为进一步验证中枢机制，研究人员向大鼠和小鼠脑室内（ICV）注射FGF21，发现其复制了PKU的BAT产热表型，包括BAT温度升高、解偶联蛋白1（UCP1）上调、下丘脑腹内侧核（VMH）中AMP活化蛋白激酶（AMPK）磷酸化降低，以及BAT交感神经活动增加。此外，公共单细胞RNA测序数据（HypoMap）显示，人类VMH神经元群中同时表达甲状腺激素受体α（TRα）、FGF21受体（FGFR1）以及AMPKα1/α2，支持下丘脑AMPK通路在人类中的保守性。该研究揭示了PKU中BAT产热增强，并阐明Phe诱导的FGF21通过抑制下丘脑AMPK破坏能量稳态的机制，成果发表在《MedComm》。
**主要技术方法**
研究纳入了来自西班牙圣地亚哥德孔波斯特拉临床大学医院和卢戈大学医院Lucus Augusti的86名白种人队列（对照、MHPA、PKU）。关键技术包括：（1）红外热成像测量BAT温度（选定锁骨上窝）和体表温度（右腋窝）；（2）ELISA和高效液相色谱（HPLC）检测循环激素（fT3、fT4、FGF21、骨形态发生蛋白8B（BMP8B））和氨基酸（Phe、Tyr）；（3）体外培养THLE-2肝细胞和SGBS脂肪细胞，用Phe处理，通过qRT-PCR和ELISA评估FGF21表达与分泌；（4）大鼠和小鼠脑室内注射FGF21，记录BAT温度、Western blot检测BAT UCP1和VMH pAMPK，以及多纤维交感神经活动（SNA）记录；（5）公共单细胞RNA测序数据库（HypoMap，63,111个星形胶质室管膜细胞、175,109个少突胶质细胞、166,475个神经元及28,674个免疫/血管细胞）分析VMH和下丘脑外侧区（LHA）相关基因表达。
**研究结果**
**2.1 BAT温度在PKU患者中升高而体温正常**：红外热成像显示，PKU组BAT温度显著高于对照组和MHPA组，而体温无差异；温度梯度（BAT温度减去体温）和温度比（BAT温度/体温）在PKU组升高，且所有患者的体温与梯度/比呈显著负相关，表明PKU状态下BAT处于过度激活状态。
**2.2 循环fT4和FGF21在PKU患者中升高**：PKU患者fT4（与MHPA相比）和FGF21水平显著升高，而fT3和BMP8B无显著差异；促甲状腺激素（TSH）在组间无变化。
**2.3 体重指数（BMI）与PKU患者的BAT温度相关**：BMI、体重、脂肪质量等肥胖相关指标与BAT温度呈高度显著负相关，而年龄、性别、身高及营养参数无相关性。因此后续分析中将BMI作为主要协变量。
**2.4 Tyr与PKU患者BAT产热增加相关，而Phe和儿茶酚胺无直接关联**：半参数回归模型显示，Phe浓度对BAT温度无直接影响；而Tyr水平在PKU组与BAT温度呈正相关（p = 0.041），且与对照组和MHPA组的差异显著；多巴胺、去甲肾上腺素和肾上腺素对BAT温度的影响在MHPA和PKU组间无差异，但均显著高于对照组。
**2.5 血糖而非甘油三酯水平与PKU患者BAT产热增加相关**：血糖在正常范围（75–95 mg/dL）时，PKU组BAT温度显著高于对照组；甘油三酯仅在较低浓度范围（45–120 mg/dL）显示出组间差异。
**2.6 甲状腺激素和FGF21与PKU患者BAT产热增加相关**：fT3在PKU组中与BAT温度呈正相关（p = 0.019），在对照组和MHPA组中为负相关；fT4在PKU组中与BAT温度的正向关联强于其他组；FGF21在PKU组中与BAT温度呈负趋势（p = 0.098），且回归线显著上移；BMP8B无显著关联。
**2.7 Phe诱导人类肝细胞和脂肪细胞FGF21表达**：在THLE-2肝细胞中，Phe（2.5–10 mM）以剂量和时间依赖性方式显著增加FGF21 mRNA（6 h和12 h）和蛋白分泌；在SGBS脂肪细胞中，仅10 mM处理12 h后FGF21 mRNA轻度增加，蛋白分泌无变化。非经典产热通路标志物（ALPL、ATP2A2、CKMT1等）无上调。
**2.8 中枢FGF21给药增加啮齿动物BAT产热**：ICV注射FGF21后，大鼠BAT温度升高、UCP1蛋白表达增加，VMH中pAMPK水平降低；小鼠BAT交感神经活动显著增强。
**2.9 人类VMH中FGF21和TH信号的中枢下丘脑特征**：HypoMap数据显示，人类VMH神经元中明确表达TRα（基因THRA）、FGFR1（基因FGFR1）、AMPKα1（基因PRKAA1）和AMPKα2（基因PRKAA2）；LHA中也表达FGFR1、SLC32A1（GABA囊泡转运体）和GAD1（谷氨酸脱羧酶1），提示FGF21反应性GABA能回路可能保守存在。
**讨论与结论**
讨论部分指出，PKU患者虽然在热中性条件下保持正常体温，但BAT温度升高，提示产热增加与散热增强平衡，防止核心体温过度升高。Phe与BAT温度无直接关联，而Tyr的正向关联未得到儿茶酚胺数据的支持，可能涉及N-乳酰苯丙氨酸（Lac-Phe）等中间代谢物。血糖和脂类均参与PKU患者的BAT燃料利用。循环FGF21升高源于肝脏Phe刺激，其与BAT温度的负相关表明BAT低活性会反激FGF21释放以代偿产热。中枢FGF21通过抑制VMH中AMPK、增强交感神经输出到BAT，与甲状腺激素的作用机制一致。人类单细胞数据证实下丘脑VMH中存在FGF21和TH信号的分子靶点。研究局限性包括：队列以儿童和青少年为主，需在成人PKU中验证；缺乏靶向功能获得/丧失实验确立因果关系；环境因素（活动量、室温、进餐时间等）控制不充分。
**结论**：本研究显示，儿科PKU患者中BAT激活增加与甲状腺激素和FGF21信号改变相关，但不涉及BMP8B；同时伴有下丘脑AMPK活性下降和交感神经向BAT输出增强。结合单细胞RNA测序数据（AMPK、TRα和FGF21受体通路在特定下丘脑神经元群汇聚），这些发现支持一个下丘脑AMPK依赖的机制，将氨基酸代谢紊乱与PKU中能量平衡改变相联系。该综合证据完善了对儿科PKU患者全身表型的理解，并可能为临床管理策略提供新方向。
