胰腺分泌的淀粉样形成性胰淀素在2型糖尿病发病过程中促进肝脏和心脏的低氧诱导因子激活及线粒体改变

《Comprehensive Physiology》：Amyloid-Forming Amylin Secreted by the Pancreas Promotes Hypoxia-Inducible Factor Activation and Mitochondrial Alterations in Liver and Heart During Type 2 Diabetes Pathogenesis

　　

在人类中，胰岛素抵抗和2型糖尿病（T2D）背景下，淀粉样形成性胰淀素（胰岛淀粉样多肽，IAPP）的过度分泌促进系统性寡聚化和组织沉积，在衰竭的人心脏和阿尔茨海默病患者的脑血管中均已鉴定出沉积物。在肾血管系统中，胰淀素聚集破坏微血管完整性，激活低氧信号通路，并促成适应不良的红系生成反应，包括红细胞增多症。研究人员假设，淀粉样形成性胰淀素会激活低氧诱导因子（HIF）信号，导致T2D发病过程中肝脏和心脏的代谢改变。为探究此问题，研究人员使用HIP大鼠（该大鼠在胰腺β细胞中特异性表达人胰淀素），将14至16月龄大鼠的组织与年龄匹配的野生型、高血糖UCD和胰淀素敲除（AKO）大鼠的组织进行比较。研究发现，与其他组相比，HIP大鼠肝脏中HIF-1α和HIF-2α的积累更多，同时HIF-1靶基因表达增加。HIP大鼠肝脏中线粒体电子传递系统（ETS）能力升高，并伴随线粒体超复合物的形成。在HIP大鼠心脏中形成胰淀素聚集体，同时伴有HIF-1α和HIF-2α积累。这与ETS能力抑制以及p-AMPK/AMPK比值升高相关，表明可能存在心脏能量损伤。因此，胰腺分泌的淀粉样形成性胰淀素与肾血管系统以外关键代谢器官中的HIF激活相关，并与肝脏和心脏中与持续低氧应激一致的线粒体改变同时发生。研究结果以及先前的工作表明，胰淀素失调是糖尿病发病机制中被忽视的、与人类相关的一个方面，因此是一个潜在的治疗靶点。

论文解读：淀粉样形成性胰淀素经胰腺分泌驱动肝脏与心脏低氧信号及线粒体改变

研究背景与科学问题
在代谢疾病研究中，胰淀素（胰岛淀粉样多肽，IAPP）的失调长期未受到足够重视。啮齿类动物的胰淀素因关键淀粉样形成区域的氨基酸替换而具有极低的淀粉样聚集倾向，而人类胰淀素在胰岛素抵抗和2型糖尿病（T2D）背景下过度分泌，可发生系统性寡聚化和组织沉积。既往研究已在衰竭的人心脏、阿尔茨海默病患者的脑血管以及肾血管系统中发现胰淀素沉积，提示其参与多器官微血管损伤。尤其在肾脏中，胰淀素聚集破坏微血管完整性，激活低氧信号通路，并导致适应不良的红系生成反应（如红细胞增多症）。然而，胰淀素沉积是否影响肝脏和心脏的低氧信号通路及线粒体功能，尚不清楚。组织低氧是许多代谢相关疾病（如代谢功能障碍相关脂肪性肝病，MASLD）的突出特征，低氧诱导因子（HIF）在其中发挥关键作用。心肌低氧也与心力衰竭发病相关，而糖尿病患者的缺血/再灌注损伤易感性增加可能与其心脏低氧感知和HIF稳定机制受损有关。因此，研究人员提出假设：胰腺分泌的淀粉样形成性胰淀素在T2D发病过程中激活HIF信号，并引起肝脏和心脏的代谢改变。

研究设计与主要技术方法
研究人员利用四种大鼠模型进行对照：HIP大鼠（在胰腺β细胞中特异性表达人胰淀素，发展为T2D）、UCD大鼠（表达非淀粉样形成性大鼠胰淀素，出现肥胖、胰岛素抵抗和糖尿病但无淀粉样沉积）、野生型（WT）大鼠以及胰淀素敲除（AKO）大鼠（既不表达人胰淀素也不表达大鼠胰淀素）。研究使用14–16月龄雄性大鼠，确保病理沉积已建立。主要技术方法包括：基于ELISA的HIF-1α和HIF-2α蛋白定量；利用针对冷冻组织优化的高分辨率呼吸测定法评估线粒体电子传递系统（ETS）容量（分别通过NADH支持复合物I的N通路、NADH和琥珀酸支持复合物I和II的NS通路、鱼藤酮存在下琥珀酸支持复合物II的S通路以及TMPD/抗坏血酸支持复合物IV的通路）；免疫印迹检测ETS复合物亚基和p-AMPK/AMPK比值；蓝绿温和凝胶电泳（BN-PAGE）分析线粒体超复合物；免疫组织化学和免疫荧光检测心脏胰淀素沉积及HIF-2α定位；RT-qPCR检测HIF靶基因表达；以及柠檬酸合酶活性和蛋白羰基含量测定。

主要研究结果
3.1 淀粉样形成性胰淀素与肝脏HIF激活相关
ELISA结果显示，HIP大鼠肝脏HIF-1α较WT高26.1%，较AKO高22.9%；HIF-2α较WT高24.9%，较AKO高32.1%。UCD大鼠与各组无显著差异。在HIF靶基因中，Vegfa（编码血管内皮生长因子a）在HIP大鼠肝脏中的表达较WT高97.3%，而Arg1和Ca9无显著差异。这表明淀粉样形成性胰淀素与肝脏HIF-1和HIF-2激活及HIF-1靶基因上调相关。

3.2 淀粉样形成性胰淀素增加肝脏ETS能力和线粒体超复合物
HIP大鼠肝脏匀浆中，N通路、NS通路和S通路的呼吸能力分别较WT高48.4%、58.8%和80.1%，N和NS通路较UCD分别高52.9%和50.2%。复合物IV呼吸能力无组间差异。ETS复合物亚基蛋白水平（除ATP5A外）无差异；HIP大鼠ATP5A较WT低31.3%。柠檬酸合酶活性在HIP与其它组间无差异，但在UCD和AKO中较WT降低。以柠檬酸合酶校正后，HIP大鼠S通路内在呼吸能力仍高于WT，提示存在内在ETS重构。BN-PAGE显示，HIP大鼠肝脏SCIII₂IV₁丰度较WT高98.9%，较UCD高86.3%；SCIII₂IV₁V_n较UCD高59.2%，较AKO高43.1%。此外，低氧诱导基因结构域蛋白1a（HIGD1A）的表达在HIP大鼠肝脏中较WT高2.6倍、较AKO高2倍、较UCD高2倍。这些结果与先前短期低氧暴露大鼠的发现一致。

3.3 HIP大鼠心脏中的胰淀素沉积和HIF激活
免疫荧光显示，HIP大鼠心脏中存在显著胰淀素沉积，而WT和UCD大鼠无沉积。ELISA证实HIP大鼠心脏匀浆中胰淀素含量显著高于WT和UCD。免疫组化提示HIP大鼠心脏HIF-2α水平升高；ELISA定量显示HIP大鼠心脏HIF-1α较UCD高2倍，HIF-2α较WT高58.2%、较UCD高41.8%、较AKO高35.0%。左心室中Vegfa和Arg1表达无显著组间差异，但Arg1在HIP大鼠中呈上升趋势。心肌蛋白羰基水平无显著差异，但HIP大鼠呈升高趋势。

3.4 淀粉样形成性胰淀素与HIP大鼠心脏线粒体及能量改变相关
HIP大鼠心肌中N通路、NS通路和复合物IV呼吸能力分别较WT低57.3%、49.0%和34.7%；NS和S通路分别较UCD低39.7%和56.5%；N和NS通路较AKO低54.5%和51.3%。以柠檬酸合酶校正后，N和NS通路呼吸能力仍低于WT，提示复合物I支持的呼吸存在特异性内在抑制。各组间心肌柠檬酸合酶活性和ETS亚基水平无差异。HIP大鼠心肌p-AMPK/AMPK比值较WT高185.7%，较UCD高127.2%，较AKO高125.4%，表明存在能量应激。

讨论与结论
研究人员讨论指出，肝脏具有陡峭的氧梯度，易受疾病状态干扰；HIP大鼠肝脏中HIF激活伴随ETS能力增强和超复合物形成，与短期低氧暴露的反应相似，可能代表一种适应性代谢维持机制。相反，心脏中ETS能力下降和AMPK激活提示能量损伤，可能与胰淀素蛋白毒性直接相关。两种组织的不同反应可能反映了对持续低氧应激的组织特异性适应。该研究通过UCD和AKO对照排除了高血糖和生理性胰淀素信号的影响，证明淀粉样形成性人胰淀素是独立的致病驱动因素。研究结论为：胰腺分泌的淀粉样形成性胰淀素与肾血管系统以外关键代谢器官的低氧信号激活相关，并伴随肝脏和心脏的线粒体改变，这些改变与低氧应激模型中的发现一致。研究结果支持胰淀素失调是糖尿病发病机制中被忽视的、与人类相关的方面，并可作为潜在治疗靶点。该工作发表于《Comprehensive Physiology》。