犬尿氨酸介导肠道与幼年心脏的器官间通讯

主动脉瓣狭窄、主动脉弓缩窄等先天性心脏病都存在慢性左心压力负荷增加，导致心室重构。对于这类先心患儿，手术是解除梗阻的唯一方法。然而，在手术矫正前，心室重构往往就已经存在，并呈进行性发展。不及时干预会导致不可逆的心肌肥厚和间质纤维化，显著增加心力衰竭和手术风险，恶化长期结局。近些年多组学方法的出现使我们能够以更全面、更系统的方式重新审视心脏疾病。全身观认为心力衰竭是一个系统性过程，是涉及不同器官和多因素机制的协调网络。这种全身观在儿童心脏疾病中特别重要，因为儿童的器官对循环刺激更敏感。然而，肠道微生物群与儿童左心室压力负荷下心室重构之间的器官间通讯尚不明确。

近日，Science Advances报道了国家儿童医学中心（上海）、上海交通大学医学院附属上海儿童医学中心心胸外科团队何晓敏、张浩、郑景浩教授的研究成果，题为：Targeting gut microbiota–derived kynurenine to predict and protect the remodeling of the pressure-overloaded young heart，揭示了犬尿氨酸是肠道菌群和幼年心脏器官间沟通的桥梁物质，可以用于预测儿童心室重构。

作者招募了20人的发现队列和44人的非重叠的确认队列，通过血浆非靶向代谢组学发现两组儿童血浆犬尿氨酸具有明显差异。血浆犬尿氨酸水平与舒张末期左室后壁厚度Z值（LVPWd Z）、左心室质量指数（LVMI）、相对心室厚度（RWT）、左心射血分数（LVEF%）显著相关。为了验证儿童群体中的结果，并进一步探究机制，作者在国内首次构建并运用了新生小鼠升主动脉环缩模型（nAAC），在小鼠出生一天内进行升主动脉环缩手术，模拟儿童先天性左心室流出道狭窄及左心压力负荷下心室重构。非靶向代谢组学及UHPC-MS/MS均再次验证了nAAC小鼠血浆中高含量的犬尿氨酸，并与小鼠心室重构指标关联。

图1. 患者队列血浆犬尿氨酸与心室重构指标密切相关

为了探索可能存在的犬尿氨酸与心室重构相关机制，作者在细胞实验中运用了来自人和小鼠来源的四种细胞进行验证。在小鼠原代心肌细胞、小鼠原代心肌成纤维细胞、人诱导多能干细胞分化的心肌细胞、人心肌成纤维细胞中验证了，犬尿氨酸通过激活芳烃受体（AHR）来上调肥大和纤维化相关基因，从而影响心肌细胞和心脏成纤维细胞心室重构表型。进一步在动物实验中构建了AHR敲除小鼠（AHR-/-），证实了犬尿氨酸-AHR轴在幼鼠压力负荷下心室重构进程中影响肥大与纤维化的双重作用。

人类心肌样本在科学研究中往往难以获取，作者在5年的研究过程中收集了4例珍贵的儿童左心室样本，这些患者因左心室流出道梗阻需外科切除左心室多余的梗阻心肌。根据患儿血浆犬尿氨酸水平分为轻度升高组（mKyn组，小于cutoff值）和重度升高组（hKyn组，大于cutoff值）。通过单细胞核测序验证上述机制。发现hKyn组患者心肌组织中，在肥大心肌细胞亚群和活化的成纤维细胞亚群中均高表达AHR下游心室重构相关基因。

犬尿氨酸的产生来自色氨酸代谢，后者与肠道微生物群密切相关。因此，研究者怀疑疾病组过高的血浆犬尿氨酸水平来自肠道菌群。作者首先运用16S RNA测序证实了nAAC小鼠存在肠道菌群微生态失调。然后，作者使用无菌（GF）小鼠模型来验证肠道菌群-犬尿氨酸假说。作者对年龄和性别匹配的GF小鼠进行了nAAC粪便微生物移植（FMT），发现虽然移植假手术组小鼠粪便后GF小鼠血浆Kyn也增加，但移植nAAC肠道微生物群的GF小鼠血浆中的Kyn水平显著更高。

最后，基于上述结果，作者认为干预肠道菌群可降低nAAC小鼠血浆犬尿氨酸水平。首先，作者对补充特定益生菌种的nAAC小鼠做了宏基因组学研究，发现补充益生菌可重塑肠道菌群结构，进一步UHPC-MS/MS显示补充益生菌可有效降低nAAC小鼠血浆犬尿氨酸水平。最后在动物模型中验证了补充益生菌可有效改善犬尿氨酸-AHR轴下游重构指标，减轻nAAC小鼠心室重构。

图1. 补充益生菌重塑肠道菌群结构

综上所述，该研究对儿童样本和小鼠模型进行了一项多组学研究，发现一种与幼年左心室重构相关的血浆代谢产物犬尿氨酸，并通过肠道微生物-心脏通讯影响疾病进程。此外，还评估了补充特定益生菌的心脏保护的作用，为儿童群体中干预肠道菌群预防心室重构提供了有效证据。结合犬尿氨酸作为一种生物标志物，该研究可能有助于预测早期儿童心室重构，这时可及时应用益生菌来预防心力衰竭并改善预后。

该论文通讯作者为上海儿童医学中心心胸外科及小儿先心病研究所何晓敏医生，共同通讯作者为该院张浩教授和郑景浩教授。上海儿童医学中心心胸外科博士研究生石博中为第一作者，张晓阳医生以及复旦大学附属儿科医院宋治莹博士为共同第一作者。

http://doi.org/10.1126/sciadv.adg7417

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