酮体β-羟丁酸介导支链氨基酸（BCAAs）代谢障碍加重糖尿病心肌缺血再灌注损伤的机制研究

Diabetes mellitus is one of the major risk factors for cardiovascular disease. Because of oxidative stress, insulin resistance and metabolic syndrome, the diabetic heart is more sensitive to ischemia/reperfusion (I/R) injury, and thus the morbility and mortality of ischemic heart disease in diabetic patients are much higher as compared to non-diabetic patients. Traditional cardioprotective strategies have minimal or even no effect on diabetic heart. Based on previous findings, this application will use in vivo/vitro animal model, cell culture and multiple methods, such as 13C-NMR isotopomer analysis, targeted metabolomics, mitochondrial biology, protein post-translational modification, demonstrating that deficiency in branched-chain amino acids (BCAAs) catabolism is responsible for the I/R sensitive phenotype of diabetic heart. Promoting BCAAs catabolism is capable of improving ketone body β-hydroxybutyrate (βOHB) utilization and attenuating mitochondrial protein β-hydroxybutyrylation (Kbhb). This will ameliorate insulin resistance, improve mitochondrial function, suppress oxidative stress and maintain mitochondrial calcium homeostasis, which contribute to reducing I/R injury in diabetic heart. The strategy focusing on optimizing mitochondrial substrate utilization is a promising way to protect diabetic heart against I/R injury, which will provide new thought and novel therapeutic target for diabetic heart protection.

糖尿病是心血管疾病主要的危险因素之一。糖尿病患者由于氧化应激、胰岛素抵抗以及一系列代谢综合征，导致心肌对缺血再灌注（I/R）损伤的敏感性增高。这种心肌"I/R 敏化"是糖尿病患者心肌缺血事件高发病率和高死亡率的重要原因，并且削弱了传统心肌保护措施的效能。本课题将从在体、离体动物和细胞水平，结合13C-NMR同位素分析、代谢组学、线粒体生物学、蛋白翻译后修饰等多个研究层面和技术，系统验证支链氨基酸（BCAAs）代谢障碍是糖尿病心肌I/R损伤敏化的关键靶点，揭示促进BCAAs代谢可提高心肌酮体β-羟丁酸的氧化利用，减少线粒体蛋白过度β-羟基丁酰化修饰，发挥糖尿病心肌保护作用。其中，抑制胰岛素抵抗，改善线粒体功能、氧化应激，以及维持线粒体钙稳态是主要保护环节。这种针对线粒体能量底物代谢的治疗方案有望从源头切断造成糖尿病心肌I/R损伤敏化的路径，为临床糖尿病心肌保护提供新的思路和药物作用靶点。

糖尿病是心血管疾病主要的危险因素之一。糖尿病患者由于氧化应激、胰岛素抵抗以及一系列代谢综合征，导致心肌对缺血再灌注（I/R）损伤的敏感性增高。这种心肌"I/R敏化"是糖尿病患者心肌缺血事件高发病率和高死亡率的重要原因，并且削弱了传统心肌保护措施的效能。本课题通过离体、在体小鼠心肌和细胞I/R损伤模型，（1）证实糖尿病心肌存在支链氨基酸（BCAAs）代谢异常及I/R 损伤敏感；BCAAs 蓄积影响线粒体形态、功能，加重I/R损伤；（2）13C-NMR同位素分析、Seahorse线粒体功能分析，代谢组学等结果显示，糖尿病心肌I/R损伤敏化与酮体代谢异常相关，并伴随线粒体动态平衡失衡，线粒体功能受损；（3）通过生酮饮食或酮酯实施酮体治疗，可促进心肌脂肪酸利用，恢复线粒体稳态，减少线粒体与内质网连接（Mito-ER Contact），减轻糖尿病心肌I/R损伤敏化表型；（4）酮体β-羟基丁酸可通过抑制组蛋白HDAC，减轻炎症状态下血管内皮细胞线粒体氧化应激；通过蛋白翻译后Kbhb 修饰，调控心肌细胞线粒体柠檬酸合酶（CS）活性，调控线粒体功能，参与糖尿病相关心脏疾病的发生发展。在执行期内项目组完成研究目标，共发表SCI 论著10 篇，中文核心期刊2篇，均标注基金资助。申请中国发明专利6项，其中2项已授权。申请中国实用新型专利2项，均已授权。项目研究成果，多次受邀参加国际会议。培养博士研究生3人，硕士研究生5人。综上所述，该课题的顺利实施，有望为临床糖尿病心肌保护提供了新的思路和药物作用靶点。