心脏细胞外囊泡蛋白质组学揭示了一氧化碳中毒导致的线粒体及收缩功能异常，以及高压氧治疗对其的逆转作用

《Molecular Medicine》：Cardiac extracellular vesicle proteomics identifies mitochondrial and contractile dysfunction in carbon monoxide poisoning and their reversal by hyperbaric oxygen therapy

　　

摘要

背景

一氧化碳中毒会导致全身性缺氧和氧化应激相关损伤，进而引发心肌损伤和持续性心脏功能障碍。然而，目前仍缺乏可用于监测长期心脏后遗症及治疗反应的可靠生物标志物。细胞外囊泡能够反映其来源细胞的分子状态，可能成为用于检测器官特异性损伤的候选生物标志物。本研究旨在探讨心脏来源的细胞外囊泡蛋白是否能反映一氧化碳中毒引起的心肌及线粒体功能紊乱，并能否体现高压氧治疗的疗效。

方法

建立了有或无高压氧治疗的一氧化碳中毒大鼠模型。通过超声心动图评估心脏功能，同时通过组织学、超微结构学及生化分析方法检测心肌损伤情况。从离体全心灌注液中分离出富含心脏成分的细胞外囊泡，用于整体蛋白质组分析。重点分析了与线粒体动态、线粒体能量代谢、钙离子调控以及心肌收缩力相关的差异表达蛋白。进一步对关键的囊泡相关蛋白和组织蛋白进行了验证，还在血清来源的细胞外囊泡中检测了部分候选蛋白，作为初步的循环细胞外囊泡验证。

结果

一氧化碳中毒导致了显著的心脏功能障碍，表现为射血分数和缩短分数下降，同时存在心肌组织学损伤，而这些情况均能通过高压氧治疗得到缓解。蛋白质组分析显示，一氧化碳中毒会改变心脏来源细胞外囊泡的蛋白质组成，这种变化与线粒体功能异常、钙离子调控蛋白谱改变以及心肌收缩功能下降密切相关。这些蛋白质组变化主要体现在与线粒体动态、钙离子信号传导以及心脏收缩调节相关的通路中。具体而言，一氧化碳中毒会导致线粒体动态调控因子，如视神经萎缩1型蛋白和线粒体分裂蛋白1的表达异常，同时也会影响钙离子调控蛋白，如瑞安丁受体2和磷兰班蛋白的表达。超微结构学和生化分析发现，一氧化碳中毒后心脏组织中的线粒体嵴结构受损，线粒体融合与分裂相关蛋白的表达发生改变，还存在与线粒体自噬相关的蛋白变化以及焦亡相关信号通路激活，而高压氧治疗可减轻这些异常表现。值得注意的是，与囊泡相关的视神经萎缩1型蛋白和线粒体分裂蛋白1与一氧化碳中毒引起的线粒体动态平衡异常有关，而与囊泡相关的瑞安丁受体2和磷兰班蛋白则与心肌收缩参数下降相关。进一步分析与线粒体功能及ATP能量生成相关的囊泡蛋白，进一步证实了一氧化碳中毒会导致与线粒体能量代谢相关的蛋白重塑。对血清来源的细胞外囊泡进行针对性分析后发现，包括瑞安丁受体2和磷兰班蛋白在内的部分钙离子调控蛋白可在循环细胞外囊泡中被检测到，且其表达变化与心脏组织的改变一致。这些研究结果表明，某些富含心脏成分的细胞外囊泡蛋白可作为反映一氧化碳中毒引起的心肌、线粒体及收缩功能异常的候选分子标志物。

结论

心脏来源细胞外囊泡的蛋白质组重塑能够反映一氧化碳中毒相关的线粒体及收缩功能异常，同时也能体现高压氧治疗的疗效。这些研究结果将富含心脏成分的细胞外囊泡蛋白确定为心肌损伤及治疗反应的候选分子标志物，为未来基于血液的生物标志物开发提供了方向。所观察到的线粒体动态、线粒体能量代谢以及钙离子调控相关蛋白的变化，为研究一氧化碳中毒导致心脏功能障碍的分子机制提供了理论依据。后续还需要通过循环细胞外囊泡蛋白质组分析、生物标志物分类分析以及专门的氧化还原蛋白质组学研究来进一步验证这些蛋白的临床应用价值及其在氧化还原调控机制中的作用。