《SCIENCE ADVANCES》：The MEK inhibitor trametinib incurs mitochondrial injury and induces innate immune responses in the mouse heart
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曲美替尼（Trm）是一种高选择性丝裂原活化蛋白激酶激酶（MEK）抑制剂，能强效且持久地消除细胞外信号调节激酶1/2的激活。Trm最初用于治疗BRAF Val600→Glu（V600E）突变的黑色素瘤，但其美国食品药品监督管理局批准的适应症正在迅速扩大。Trm总
曲美替尼（Trm）是一种高选择性丝裂原活化蛋白激酶激酶（MEK）抑制剂，能强效且持久地消除细胞外信号调节激酶1/2的激活。Trm最初用于治疗BRAF Val600→Glu（V600E）突变的黑色素瘤，但其美国食品药品监督管理局批准的适应症正在迅速扩大。Trm总体耐受性良好，但可引起剂量限制性心肌病和心力衰竭。研究人员利用互补的体外方法表征了一个Trm心脏毒性小鼠模型，表明Trm在心肌细胞和某些癌细胞类型中诱导线粒体功能障碍。在体内，Trm在3天内引起收缩功能障碍，在2周内导致心力衰竭。使用分离的心脏线粒体进行高分辨率呼吸测定法显示，Trm部分通过削弱电子传递系统复合物的活性来损害氧化代谢。Trm介导的线粒体损伤导致线粒体损伤相关分子模式（包括线粒体DNA）的释放，在小鼠和人类中均触发了包括cGAS-STING在内的经典先天免疫通路的激活。在多种啮齿动物和人类心肌细胞平台中，Trm在纳摩尔浓度下降低了线粒体呼吸能力，但这种损伤可通过表达拟磷信号转导及转录激活因子3–S727构建体来逆转。研究人员还发现Trm在某些但并非所有癌细胞系中诱导线粒体功能障碍，识别出一种先前未认识到的可能有助于Trm抗癌疗效的效应。
研究背景：RAS–RAF–丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）激酶（MEK）–细胞外信号调节激酶（ERK）通路的持续过度激活常促进肿瘤发生。曲美替尼（Trm）是一种高选择性变构MEK抑制剂（MEKi），自2013年获批用于BRAF V600E/K突变黑色素瘤以来，其临床适应症迅速扩展至非小细胞肺癌等，临床试验已超100项。Trm总体耐受性良好，但可导致剂量限制性心肌病和心力衰竭，11%–46%患者出现心肌病，部分患者停药后恢复，但19%因心血管不良事件死亡。2022年欧洲心脏病学会心脏肿瘤学指南专门讨论了MEKi心血管毒性。联合BRAF-MEK抑制的心脏毒性主要源于MEKi成分。然而，Trm心脏毒性的机制尚不明确。MEK-ERK轴在心脏中发挥保护作用，但Trm可能通过脱靶效应引起不良反应。研究人员因此开展本研究，以阐明Trm在小鼠中引起心脏毒性的机制。
研究人员开展的研究：通过体内外方法发现Trm诱导可逆性心脏功能障碍，表现为线粒体功能障碍和先天免疫反应激活，并发现Trm削弱多种癌细胞类型的线粒体氧化能力。论文发表在《SCIENCE ADVANCES》。
主要关键技术方法（不超过250字）：研究人员使用12–16周龄雌性FVB小鼠，通过口服灌胃给予Trm（3 mg/kg/天）或溶剂对照，持续3或14天，部分小鼠进行14天洗脱。通过清醒小鼠超声心动图评估心功能；通过透射电镜观察心脏超微结构；通过RNA测序（RNA-seq）进行转录组分析；使用Oroboros O2K高分辨率呼吸测定法检测分离心脏线粒体呼吸功能；采用Seahorse生物分析仪检测心肌细胞耗氧率；通过免疫印迹、免疫荧光和ELISA检测蛋白表达和细胞因子；使用qPCR检测线粒体DNA（mtDNA）释放；应用STING拮抗剂H-151验证通路作用。人血清样本来自一项机会窗口临床试验（ClinicalTrials.gov NCT01467310）中三阴性乳腺癌患者。癌症细胞系包括MV4-11、HL-60和A375等。
研究结果：
1. **Trm induces reversible cardiomyopathy and heart failure in vivo**：Trm处理3天即引起收缩功能障碍，14天后出现全心衰竭（肺水肿、内脏淤血），停药后功能完全恢复。心肌细胞出现萎缩，线粒体超微结构异常（嵴线性化、电子致密包涵体、自噬体增多）。
2. **The transcriptomic profile of the Trm-exposed heart implicates mitochondrial injury and immune activation**：RNA-seq显示Trm显著下调氧化磷酸化和脂肪酸代谢相关转录本，上调细胞因子和干扰素β（IFN-β）等先天免疫通路相关转录本。
3. **The transcriptomic signature of Trm cardiotoxicity is distinct from other mouse models of heart failure**：与心肌梗死（MI）或主动脉缩窄（TAC）模型相比，Trm的转录组特征独特，下调基因富集于线粒体，上调基因富集于炎症反应。
4. **Trm induces early mitochondrial dysfunction and oxidative stress in the mouse heart**：处理3天后，心脏线粒体柠檬酸合酶活性降低16%，mtDNA减少36%。高分辨率呼吸测定法显示复合体I和II支持的呼吸能力下降，复合体III和IV活性分别降低26%和29%。
5. **MEKi’s induce mitochondrial dysfunction in cardiomyocytes in vitro**：在新生大鼠心室肌细胞（NRVMs）和人类诱导多能干细胞来源的心肌细胞（h-iPSC–CMs）中，Trm、selumetinib和cobimetinib均呈浓度依赖性降低线粒体呼吸能力和脂肪酸氧化。Trm削弱线粒体STAT3（信号转导及转录激活因子3）的S727磷酸化和线粒体定位，而表达拟磷的mtSTAT3-S727D构建体可挽救呼吸缺陷。
6. **Trm induces oxidative stress and compromises mitochondrial membrane potential in cardiomyocytes**：Trm增加3-硝基酪氨酸（氧化损伤标志物）水平，在h-iPSC-CMs中使线粒体超氧化物增加4倍，线粒体膜电位（ΔΨm）丧失。
7. **Trm induces a dynamic immune response in mouse heart**：Trm引起NRVMs和Trm处理小鼠血清中mtDNA释放增加（2.5倍和3倍）。在人三阴性乳腺癌患者中，Trm治疗1周后循环mtDNA增加4.8倍。Trm激活cGAS-STING通路及下游TBK1、STING、cGAS、STAT1、STAT3、NF-κB，并上调IL-6、IL-1β、TNFα等细胞因子。NLRP3炎症小体在14天时显著激活。STING拮抗剂H-151部分改善第14天的收缩功能障碍。
8. **Trm compromises bioenergetics in some, but not all, cancer cell lines**：在急性髓系白血病（AML）细胞系MV4-11和HL-60中，Trm（100 nM）降低基础和最大呼吸及氧化磷酸化动力学；而在黑色素瘤A375细胞中，Trm反而增加最大呼吸能力。BRAF V600E突变不影响Trm对线粒体生物能量学的作用。
总结讨论部分：研究人员首次证明Trm诱导心脏线粒体损伤，并在多种癌细胞类型中全面表征了其对生物能量学的影响。MEK-ERK轴此前未被报道参与调节心肌氧化代谢。Trm通过至少部分削弱ETS复合体I–IV活性降低离体心脏线粒体耗氧率。Trm通过抑制STAT3-S727磷酸化和线粒体转位导致呼吸缺陷，而拟磷STAT3-S727构建体可挽救损伤。线粒体损伤导致mtDNA释放，激活cGAS-STING经典先天免疫通路，STING拮抗剂H-151部分改善心功能。Trm对癌细胞生物能量学的影响具有细胞类型依赖性，与BRAF V600E突变无关。这些发现揭示了MEKi心脏毒性的机制基础，并阐明了MEK-ERK轴在心肌细胞和癌细胞中的新功能。
论文结论部分翻译（根据原文讨论最后一段）：Trm通过多种机制而非单一通路损害线粒体功能，这可能源于ERK1/2有超过100个已知下游靶点。研究人员发现MEK抑制阻断了STAT3在S727位点的磷酸化，并阻止了STAT3向心肌细胞线粒体的转位。在多个AML细胞系中也观察到类似效应。引入拟磷STAT3-S727构建体挽救了心肌细胞线粒体损伤，首次证明MEK-ERK-STAT3通路调节心脏氧化代谢。这些结果结合已有研究提示，抑制氧化磷酸化可能有助于Trm在多种癌症中的治疗疗效。
