一氧化碳释放分子CORM-401处理引发皮质酮驱动的应激脂解和组织特异性缺氧诱导因子激活

《Redox Biology》：Carbon monoxide-releasing molecule CORM-401 treatment elicits corticosterone-driven stress lipolysis and tissue-specific hypoxia-inducible factor activation

　　

代谢综合征（MetS）是一个全球健康问题，以肥胖、胰岛素抵抗、血脂异常和高血压为特征，这些都增加心血管疾病和2型糖尿病的风险。一氧化碳释放分子（CORMs）在体内输送少量CO，已有报道通过诱导短暂的线粒体解偶联和改善胰岛素抵抗来改善肥胖小鼠的代谢参数。CO降低血红蛋白的氧结合能力，可能导致组织缺氧并通过缺氧诱导因子（HIF）途径介导代谢改变。本研究：1）分析CORMs的有益代谢效应是否由HIF途径介导，2）评估长期CORM-401治疗在高脂饮食喂养小鼠中的代谢效应。为期7周的CORM-401处理引发了一种代谢表型，其特征是体重和白色脂肪组织（WAT）质量显著减少，能量消耗和葡萄糖耐量增加，以及LDL+VLDL胆固醇水平升高。CORM处理触发了乳酸血症诱导的代谢性酸中毒，通过增加呼吸代偿。未观察到毒性或器官损伤。在CORM-401处理的组织中，HIF靶mRNA水平与碳氧血红蛋白（COHb）水平呈正相关。CORM-401处理的小鼠表现出血清皮质酮水平升高，这与WAT和肝脏中的代谢mRNA相关。这些发现表明了一种双重机制：糖皮质激素驱动的应激激活作为主要机制，伴随着低度、组织特异性的HIF参与，支撑了CORM-401处理所观察到的代谢效应。尽管对代谢有轻微的有益作用，但长期CORM-401处理的全身激素效应在评估其作为代谢紊乱治疗药物的潜力时值得谨慎。

**论文解读**

**研究背景与问题**：代谢综合征（MetS）是全球性健康问题，以肥胖、胰岛素抵抗、血脂异常和高血压为特征，增加心血管疾病（CVD）和2型糖尿病（T2D）风险。高海拔地区低氧环境与较低肥胖患病率相关，提示缺氧信号可能改善代谢。缺氧诱导因子（HIF）途径是细胞氧感知的核心，HIF–脯氨酰4-羟化酶（HIF–P4H）抑制剂已在临床用于慢性肾病贫血。动物模型显示HIF–P4H-2低功小鼠更瘦、糖脂代谢改善。一氧化碳（CO）是内源性气体，与血红蛋白（Hb）高亲和力形成碳氧血红蛋白（COHb），降低组织氧合。CO释放分子（CORMs）可输送少量CO，前期研究显示CORM-401改善胰岛素抵抗和减少脂肪组织炎症。但CORM-401的长期代谢效应及其是否通过HIF途径介导尚不明确。本研究旨在：1）分析CORM-401的代谢效应是否涉及HIF途径；2）评估长期CORM-401治疗在高脂饮食（HFD）喂养小鼠中的糖脂代谢效应。

**研究内容与结论**：研究人员对C57BL6/J雄性小鼠进行6周HFD喂养后，每周3次口服30 mg/kg CORM-401或载体（PBS）共7周。结果显示，CORM-401处理导致体重显著减轻（约6 g差异），主要源于白色脂肪组织（WAT）质量减少约45%和WAT甘油三酯降低30%，同时棕色脂肪组织（BAT）质量降低，但肝脏质量无差异。CORM-401处理小鼠呈现更好的葡萄糖耐量（GTT曲线下面积减少）、更低空腹胰岛素水平和胰岛素抵抗指数（HOMA-IR），表明胰岛素敏感性改善。血清总胆固醇升高，主要由LDL+VLDL胆固醇驱动，而HDL胆固醇、甘油三酯和游离脂肪酸（FFA）无差异。血液COHb水平在末次给药24小时后轻度升高（1.2倍），提示CO蓄积。HIF相关基因表达分析显示，WAT中Glut1 mRNA上调，肝脏中Pdk1 mRNA上调，骨骼肌中Glut4 mRNA上调，且这些基因表达与COHb水平呈正相关，但HIF1α蛋白稳定仅在部分样本中检测到。CORM-401处理小鼠饮水量增加60%、总活动量、耗氧量、二氧化碳产量和产热量均升高，但食物摄入无差异。呼吸交换率（RER）变异性增加，提示代谢率上升。血液气体分析显示乳酸升高、pH上升、pO₂和SpO₂升高、pCO₂有下降趋势，提示乳酸血症诱导的代谢性酸中毒通过过度通气代偿。血清肌酐升高但无肾损伤证据，尿素降低，提示脱水。透射电镜（TEM）未发现肝、骨骼肌、WAT、BAT线粒体损伤。胆固醇代谢分析显示肝脏胆固醇合成基因（Cyp51、Hmgcr）mRNA上调，胆汁酸合成基因（Cyp7a1）mRNA下调，原代肝细胞实验证实直接效应。血清皮质酮水平升高1.6倍，且与COHb、WAT Glut1 mRNA正相关，与肝脏Cyp7a1 mRNA负相关。

**关键技术方法**：本研究采用体外酶活性抑制实验（重组人HIF–P4H-1、-2、-3，IC₅₀测定）、单剂量预实验（30 mg/kg灌胃后0 min–2 h）和长期动物实验（C57BL6/J雄性小鼠，HFD诱导肥胖，口服30 mg/kg CORM-401每周3次共7周，来源：芬兰奥卢大学实验动物中心）。代谢表型评估包括体重、血糖、血脂、血气分析、葡萄糖耐量试验（GTT）、胰岛素ELISA。组织分析包括qPCR、Western blot、H&E染色、免疫组化（UCP1、CD68）、透射电镜（TEM）以及原代肝细胞培养（24 h处理）。

**研究结果**：
3.1. CORM-401浓度依赖性地抑制HIF–P4H 1-3（IC₅₀ 150–320 μM），单剂量给药后COHb升高1.7–1.8倍，但未在WAT或肝脏中检测到HIF1α稳定化，仅WAT中Pfkl mRNA显著上调，表明CO释放但未激活强烈HIF反应。
3.2. 长期CORM-401处理导致体重显著下降（约2.2 g减少 vs 载体组增加3.5 g），WAT质量减少45%，WAT甘油三酯降低30%，BAT质量降低，肝脏质量无差异。血清总胆固醇和LDL+VLDL胆固醇升高，HDL、甘油三酯、FFA无差异。COHb轻度升高（1.2倍），Hb无差异。
3.3. CORM-401处理小鼠GTT曲线下面积（AUC）减少，空腹胰岛素和HOMA-IR降低，提示葡萄糖耐量改善和胰岛素敏感性增强。
3.4. 在CORM-401处理小鼠中，WAT中Glut1 mRNA上调、Ldha、Ppara、Ccl2、Lep mRNA下调；肝脏中Pdk1 mRNA上调、Lipin1 mRNA下调；骨骼肌中Glut4 mRNA上调、Ldha和Ppara mRNA下调。COHb与WAT Glut1 mRNA和骨骼肌Glut4 mRNA呈正相关，但与HIF1α稳定化仅在部分样本中观察到。
3.5. 长期CORM-401处理小鼠饮水量增加60%，总活动量、耗氧量、二氧化碳产量和产热量均升高，食物摄入无差异。RER变异性增加。WAT中Prdm16和Ucp1 mRNA上调，但免疫组化显示UCP1表达在载体组更明显，BAT质量减少45%，提示产热增加并非主要机制。
3.6. CORM-401处理小鼠血液pH升高、pO₂和SpO₂升高、pCO₂有下降趋势，乳酸升高，提示乳酸血症诱导的代谢性酸中毒，通过过度通气代偿。血清肌酐升高，尿素降低，钠、钾、白蛋白、ALT、ALP无差异，β-羟丁酸无差异，提示脱水但肾功能正常。TEM未发现肝、骨骼肌、WAT、BAT线粒体损伤。
3.7. 肝脏胆固醇合成基因Cyp51、Hmgcr mRNA上调，胆汁酸合成基因Cyp7a1 mRNA下调，Cyp8b1无差异，肝脏胆酸浓度无差异。原代肝细胞实验证实Cyp51、Hmgcr、Fdps mRNA上调。血清皮质酮升高1.6倍，且与COHb、WAT Glut1 mRNA正相关，与肝脏Cyp7a1 mRNA负相关，提示应激激活。

**讨论与结论**：讨论部分指出，CORM-401诱导的代谢表型主要由糖皮质激素驱动的应激脂解介导，而非经典CO毒性或产热激活。皮质酮升高促进WAT脂解，导致体重减轻和脂肪减少，同时抑制肝脏Cyp7a1表达，通过糖皮质激素受体激活FXR负反馈通路，维持胆汁酸稳态。尽管CORM-401在体外直接抑制HIF–P4H，但体内仅观察到低度HIF途径参与，可能与CO竞争氧气结合有关。脱水、饮水量增加和活动度升高进一步支持应激反应。结论部分翻译：综上所述，这些发现确定了糖皮质激素介导的应激激活是CORM-401代谢效应的主要驱动因素，而低度HIF途径参与作为潜在的次要贡献者。这一双重机制模型为理解一氧化碳释放分子如何影响全身代谢提供了新见解，并强调了在评估其治疗潜力时考虑应激生理学的重要性。