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循环。作者手稿；PMC 2013年6月12日提供。
以最终编辑形式发布为：
循环。2012年6月12日；125(23): 2844–2853.
2012年5月14日在线发布。 数字对象标识：10.1161/循环AHA.111.060889
预防性维修识别码：项目经理3464497
NIHMSID公司：美国国家卫生研究院386125
PMID：22586279

心室辅助装置植入可纠正晚期心力衰竭患者的心肌脂毒性，逆转胰岛素抵抗并使心脏代谢正常化

Aalap Chokshi公司，医学博士，1 康斯坦蒂诺斯·德罗萨托斯，博士，2 费萨尔·希玛，医学博士，三 吉瑞平，医学博士，1 Tuba Khawaja公司，医学博士，1 余水清、理学学士、，1 加藤友子，医学博士，1 拉斐·汗，医学博士，2 Hiroo Takayama公司，医学博士，三 拉尔夫·克诺尔、医学博士、博士，4 亨德里克·米尔廷，博士，5 Christine S.Chung女士，医学博士，1 乌尔里希·乔德，医学博士，1 中田佳文、医学博士、博士，三 唐娜·M·曼奇尼，医学博士，1 伊拉·J·戈德堡，医学博士，2和P.克里斯蒂安·舒尔茨医学博士1
作者信息 版权和许可信息 PMC免责声明

关联数据

补充资料

摘要

背景

心力衰竭与心肌代谢受损有关，脂肪酸转化为葡萄糖以产生ATP。我们假设，心脏中有毒脂质中间产物的积累会抑制晚期心力衰竭时的胰岛素信号传导，衰竭心肌的机械卸载会纠正受损的心脏代谢。

方法和结果

我们分析了61例心力衰竭患者（BMI 26.5±5.1 kg/m）的心肌和血清2左心室辅助装置（LVAD）植入和外展时（平均持续时间185±156天）和9名对照组患者获得。心力衰竭患者的全身胰岛素抵抗伴随着心肌甘油三酯和总脂肪酸含量的降低，但毒性脂质中间产物、二酰甘油和神经酰胺的增加。与对照组相比，心力衰竭患者可检测到蛋白激酶C亚型的膜定位增加、胰岛素信号抑制剂以及胰岛素信号分子Akt和FOXO活性降低。LVAD植入改善了全身胰岛素抵抗（HOMA-IR:4.5±0.6至3.2±0.5；p<0.05），降低了心肌中的二酰甘油和神经酰胺水平，而甘油三酯和脂肪酸含量保持不变。LVAD植入后胰岛素/PI3kinase/Akt信号级联的激活改善通过Akt和FOXO的磷酸化增加得到证实，LVAD植入后伴随着蛋白激酶C亚型的膜定位降低。

结论

LVAD植入后的机械卸载可纠正晚期心力衰竭患者的全身和局部代谢紊乱，从而降低心肌中有毒脂质中间产物的水平，改善心脏胰岛素信号。

关键词：心力衰竭、脂质毒性、代谢、心肌代谢、心室辅助装置

晚期心力衰竭（HF）与衰竭心肌的结构、功能、炎症和代谢紊乱有关，这些紊乱在疾病状态进展过程中发展和恶化。1，2衰竭心肌的代谢异常以转录改变为特征，调节脂肪酸摄取和氧化的基因受到抑制，而控制葡萄糖代谢的基因的表达保持相对稳定，2——4典型的胚胎发生的转录程序。1，5，6总的净结果是脂肪酸（FAs）的代谢和氧化相对减少，初级ATP生成向葡萄糖转移。这些变化还伴随着严重的线粒体功能障碍和整体氧化代谢受损。7

除了这种心肌葡萄糖和FA代谢失衡外，晚期HF患者还出现全身胰岛素抵抗（IR），IR恶化与更高的发病率和死亡率相关。8循环促炎细胞因子（如TNFα和IL1β）以及脂肪因子的失调与HF中IR的发展和进展有关，9这与先前描述的代谢紊乱类似，这些代谢紊乱是指早期糖尿病患者的糖稳态异常。10

细胞脂质代谢途径的复杂网络必须通过线粒体β-氧化、细胞结构成分的产生以及调节包括胰岛素信号在内的许多细胞过程的信号分子的产生，为ATP的生成提供底物。11不到5%的全身甘油三酯储存在骨骼肌和心肌等非脂肪组织中；然而，这些中性脂类可以作为一种重要的能量储存形式，而骨骼肌中病理性脂类积累可以触发胰岛素抵抗。12一些脂质代谢中间产物具有毒性促凋亡和促炎症作用。13——15糖尿病患者的骨骼肌和心肌中的二酰甘油（DAG）和神经酰胺水平增加，这与线粒体功能障碍、细胞内葡萄糖和FA氧化受损直接相关。14，16与这种对细胞功能有害影响相关的细胞内脂质积聚被称为“脂毒性”。研究表明，增加细胞内脂质水平的酶的过度表达会导致胰岛素抵抗，而这些酶的基因缺失会降低细胞内脂质的毒性水平，从而提高胰岛素敏感性，这证明脂质本身是有毒的。13，17——20此外，诱导的心脏脂质积聚会导致心脏功能障碍。13，15，21

我们研究的目的是比较晚期心衰患者和对照组之间的细胞内脂质水平，并验证通过左心室辅助装置（LVAD）植入的机械卸载导致衰竭心肌代谢紊乱逆转的假设。

方法

患者队列和样本收集

我们回顾性分析了在哥伦比亚大学医学中心接受LVAD植入术的61例晚期HF患者（男性52例，女性9例）。患者接受了脉冲流LVAD（n=30）或连续流LVADs（n=31）。收集所有患者的临床和实验室特征以及LVAD植入和移植前5天内的血流动力学情况。

从一组患者（n=21）中采集心肌标本，并从所有患者（n=61）中采集血样，采集时间为LVAD植入作为桥接移植的终末期HF患者和心脏移植期间LVAD移植患者。对照血液样本取自哥伦比亚大学医学中心招募的无心血管疾病患者（n=10）。对照心肌样本（n=6）取自组织库中的未鉴定样本，这些样本取自因急性受体问题或供体冠状动脉疾病而无法进行心脏移植的非衰竭心脏，但没有既往梗死的证据。新获得的心脏样本立即速冻，置于液氮中运输，并在-80℃下储存，直至最终分析。

本研究由哥伦比亚大学机构审查委员会批准。所有患者在纳入研究之前都提供了书面知情同意书。

超声心动图分析

所有患者在LVAD植入前5天内和手术后1个月获得常规超声心动图（Sonos-5500®或Sonos-7500®；Philips Healthcare Corp，Andover，MA，USA）。常规标准超声心动图检查包括M型、二维心电图和多普勒研究，用于测量室间隔和后壁厚度、收缩末期和舒张末期左室直径（LVESD和LVEDD）。左心室射血分数（LVEF）由双平面Simpson法从心尖4腔和2腔视图计算。用脉冲多普勒超声心动图测量二尖瓣舒张期间二尖瓣叶尖间的样本量，测量早期（E）和晚期（A）的峰值充盈速度及其比值（E/A），以及E的减速时间。峰值正dP/dt最大值根据二尖瓣返流射流速度的连续波多普勒测定，计算左室压力对时间的一阶导数作为收缩性指数。19通过在心尖四腔切面的二尖瓣间隔环和外侧环放置组织多普勒样本量，获得舒张早期环速度（E'），并计算E/E'比值。从5个心动周期进行测量并取平均值。

血清分析

采集静脉血样本，并在−70°C离心后保存，直至进行分析。使用市售酶联免疫吸附测定（ELISA）试剂盒（加州生物技术公司，加利福尼亚州奥斯汀大道春谷）测量胰岛素水平。利用稳态分析模型-胰岛素抵抗（HOMA-IR）描述所有患者和对照组的胰岛素抵抗水平。22机构核心实验室分析了BNP的循环水平。

组织培养

M.M.Davidson善意地提供了一种人类心室肌细胞衍生细胞系AC-16。23细胞保存在Dulbecco改良鹰培养基：营养混合物F-12（火腿）（DMEM:F12）（Invitrogen，Carlsbad CA）中。饥饿四小时后，在70-80%汇合处的细胞上进行实验。将细胞暴露于0.4 mM棕榈酸（PA）（Sigma-Aldrich）与1%无FA牛血清白蛋白（BSA）结合的甲醇中过夜（16小时）。对照细胞在0.25%溶剂（甲醇）中培养。用棕榈酸（0.4 mM，16小时）处理过夜后，用500 nm胰岛素（Sigma-Aldrich）在HEPES缓冲液中稀释不同时间间隔，在存在或不存在PKC抑制剂的情况下培养细胞（RO-318220，Sigma，美国）。

基因表达分析

使用标准方法提取总RNA，并使用Prism 7700序列检测器（美国加利福尼亚州福斯特城Perkin-Elmer）通过RT-PCR测定特定mRNA的丰度。CD36、CPT1、ACO、GLUT1、GLUT4、IR、PDK4、ATGL、HSL、DGAT1和DGAT2以及BNP特异性引物和TaqMan探针的序列在前面进行了描述。6，13，15，18使用18S mRNA的表达对基因表达进行标准化，并将其表达为相对表达。

蛋白质分析

在含有20mM Tris-HCl（pH 8.0）、2mM EDTA、2mM EGTA、6mMβ-巯基乙醇、0.1mM钒酸钠、50mM氟化钠、蛋白酶抑制剂和磷酸酶抑制剂（印第安纳波利斯罗氏）的200µl裂解缓冲液中对组织和细胞进行裂解。使用标准技术进行蛋白质提取。细胞中的蛋白裂解物在4–15%SDS PAGE还原凝胶（Bio-Rad）上溶解，转移到PVDF膜（Bio-Rad）上，封闭在5%牛奶/TRIS缓冲盐水中，并用抗体进行探测，以检测磷酸化Akt、总Akt，磷酸化Foxo、总Foxo和GAPDH（均来自美国马萨诸塞州Cell Signaling Technologies Inc）。清洗膜，用与辣根过氧化物酶结合的适当二级抗体孵育，在TBS-T中清洗，并使用ECL Western Blotting System Kit（Thermo Scientific）检测。

蛋白分离后进行PKC亚型定位和活性分析。以33000 rpm超速离心1h，分离膜和细胞溶质部分。将每个组分中的25µg应用于SDS-PAGE，并转移到使用特定抗体检测的硝化纤维素膜和PKC亚型上（来自马萨诸塞州比勒里卡Millipore的PKCα；来自加利福尼亚州圣克鲁斯生物技术公司的PKCβ、PKCδ和PKCε）。如前所述，使用非放射性PKC激酶活性试剂盒（Assay Designs，密歇根州安娜堡）测量特定PKC活性。15

脂质测量

采用Folch提取法提取总脂质。简单地说，25–50 mg组织或细胞颗粒在PBS和氯仿：甲醇（2:1）中均质。将有机相分离两次并干燥。将干燥的脂质溶于1%Triton X-100中，干燥并重悬于蒸馏水中。使用Infinity甘油三酯试剂盒（Thermo Scientific）和Matrix Plus Chemistry Reference kit（Verichem Laboratory Inc.）作为标准试剂盒，测量心脏甘油三酸酯含量。总脂肪酸被量化为基于液相色谱-质谱（LC/MS）的脂质组学（Waters Xevo TQ MS ACQUITY UPLC系统，Waters，Milford，MA）检测到的单个脂肪酸的总和。如前所述，使用二酰甘油激酶法检测总DAG和神经酰胺。24

组织学

对LVAD植入时和石蜡固定、H&E和Masson三色染色后外植时获得的心肌标本进行组织病理学评估。利用Masson三色染色在连续切片上定量心肌纤维化，以检测胶原。使用ImagePro软件（NIH）分析纤维化面积，并以总截面积的百分比表示。使用ImagePro软件对心肌细胞的周向标记进行半定量分析，并表达平均横截面积和每个样本内的纤维大小分布，然后分析肌细胞横截面积（CSA）。

统计分析

数据以平均值±SD表示。根据正态分布图和直方图以及Kolmogorov-Smirnov检验评估每个变量的正态性。比较Student’s非配对双尾模型组的超声心动图和实验室变量、术前和术后血清和心肌基因表达以及术后变量的%变化吨-参数分布组的检验和非参数分布样本的Mann-Whitney-U检验。采用Student配对t检验（针对参数分布组）和Wilcoxon检验（针对非参数分布样本）评估每组患者手术前后的值。使用ANOVA和适当的事后检验对两组以上患者进行比较。A类第页<0.05的值被认为具有统计学意义。所有数据均使用SPSS版本18（IBM，美国）进行分析。

结果

基线特征

我们分析了1998年至2010年间在我们研究所接受LVAD安置的61名患者。所有患者的临床特征总结如下表1LVAD支持的持续时间为31至662天（平均176天）。HOMA-IR显示HF患者普遍存在胰岛素抵抗（HF患者为3.7±1.8，对照组为1.1±0.6；p<0.01）。

表1

LVAD植入患者的基线特征。

植入时的年龄，年（平均值±标准偏差）55 ± 13.4
性别52 M/9楼
体重指数，kg/m2（平均值±标准偏差）26.5 ± 5.29
  <195%
  19–2535%
  25–3040%
  >3020%
吸烟史51%
2型糖尿病23%
高血压34%
高脂血症46%
心力衰竭的病因
缺血性心肌病59%
扩张型心肌病41%
射血分数，%（平均值±标准偏差）18±5.5
LVAD持续时间，天（平均值±标准偏差）177 ± 146

超声心动图评估

LVAD放置前后的超声心动图参数列于表2简而言之，两组LVAD植入后的LVEDD和LVESD均显著小于手术前的参数。LVEF在机械支持期间增加。其他参数列于表2.

表2

LVAD植入前后患者的超声心动图参数。

VAD前VAD后第页-价值
LVEDD（毫米）69 ± 1255 ± 15<0.0001
LVESD（毫米）63 ± 1348 ± 17<0.0001
LVEF（%）17 ± 225 ± 150.003
IVS（毫米）10 ± 311 ± 2NS公司
PWT（毫米）10 ± 211 ± 2NS公司

衰竭心肌的胰岛素信号受损

接下来，我们分析了LVAD植入和移植期间收集的心肌样品以及对照样品中胰岛素受体的胰岛素信号级联和下游靶点的激活，即IRS/Akt/Foxo信号级联。与对照样品相比，衰竭人心肌样品显示Akt和Foxo的磷酸化受损，表明晚期人心衰胰岛素信号级联的心肌激活降低，与心脏胰岛素抵抗一致(图1).

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人类晚期HF中PI3Kinase/Akt信号的损伤(A类)与对照受试者相比，晚期HF患者样本中Akt和FOXO的磷酸化状态降低，表明活化程度降低（每组三个代表性样本）。(B类)与对照组相比，晚期HF患者的Akt和FOXO心肌磷酸化水平降低（*p<0.05，n=6-8个样本/组）。

衰竭心肌中DAG和神经酰胺水平升高

我们进一步测定了衰竭的人类心肌中细胞内脂质的水平，以与未衰竭的心脏样本进行比较。与对照样品相比，衰竭心肌中的甘油三酯和游离脂肪酸水平显著降低。相反，与对照组相比，晚期HF患者的样品中发现有毒脂质中间产物DAG和神经酰胺的细胞内水平显著增加(图2A)。这些发现表明，晚期心衰患者心肌中有毒脂质中间产物的积聚，而中性脂质和游离脂肪酸仍然减少。

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心肌脂质含量和糖脂代谢基因的转录变化。(A类)晚期心衰患者和对照组的心肌脂质含量。(B类)控制脂肪酸和葡萄糖摄取和氧化的代谢基因基因表达的相对变化（空白条-对照；填充条-HF；每组6-8名患者，*p<0.05）。

随着DAG和神经酰胺的积累，FFA和TG降低，伴随着CD36和CPT1的基因表达、FA摄取和氧化标记以及葡萄糖摄取标记GLUT4的显著降低。PDK4被抑制，表明葡萄糖氧化增加，这与先前发现的严重心衰代谢基因调控异常一致。PGC1α表达水平降低进一步表明线粒体氧化代谢受损。值得注意的是，与对照组相比，晚期HF中DGAT1（催化DAG转化为单酰基甘油的限速酶）和ATGL（催化甘油三酯转化为DAG降解的ATGL）的表达降低(图2B).

脂质过多通过PKC激活抑制心肌细胞胰岛素信号

接下来我们分析了脂质过载对心肌细胞胰岛素信号的影响体外人心肌细胞系AC16细胞，23用于分析胰岛素信号级联。首先，我们通过油红-O染色证实了与PA隔夜孵育增加了细胞内总脂质含量。此外，我们量化了甘油三酯、DAG和神经酰胺的细胞含量；用PA隔夜刺激后，它们都表现出显著的增加(图3A)。然后我们测试了PA是否通过PI3K/Akt信号级联影响胰岛素信号。胰岛素刺激AC16细胞导致Akt强烈激活，与PA隔夜孵育可抑制Akt的激活，表明PA孵育和相关的胞内脂质增加可阻止胰岛素诱导的Akt磷酸化。接下来，我们测试了PA刺激对AC16细胞PKC活性的影响。用PA刺激的总PKC活性培养AC16细胞（+51%；与未刺激细胞相比p<0.05）(图3C)。最后，在PKC抑制剂存在的情况下，用PA预孵育的细胞中胰岛素介导的Akt磷酸化的抑制作用降低。这些发现表明，在高细胞内脂质水平的情况下，PKC对于抑制心肌细胞Akt磷酸化是必要的(图3D).

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通过增加心肌细胞脂质含量抑制胰岛素信号传导。(A类)将AC16细胞与0.4 mM棕榈酸（PA）孵育后，通过油红O染色（顶部）和定量脂质分析（底部，与未刺激细胞相比，*p<0.05）测量的细胞脂质含量增加。(B类)隔夜刺激AC16细胞可抑制胰岛素介导的Akt磷酸化（*p<0.05 vs.30 min胰岛素）。(C类)对照细胞和PA处理细胞中的PKC活性。(D类)在高PA刺激下，PKC活性的抑制使AC16中胰岛素介导的Akt磷酸化正常化（n=3-4个样本/组，*p<0.05）。

衰竭心肌的机械卸载改善系统胰岛素抵抗并增强心脏胰岛素信号

LVAD植入减少了纤维组织的积聚（31.7±2.7至22.7±5.9%，p=0.016）和心肌细胞CSA（221.5±9.1 vs.124.6±35.0µm2p<0.0001），表明衰竭心肌的机械卸载。

LVAD植入后HF患者的空腹血糖和糖化血红蛋白水平降低(表3)。伴随着循环中胰岛素水平的降低。这些变化导致LVAD术后晚期HF患者计算的HOMA-IR显著降低，与系统胰岛素敏感性的改善一致（HF组3.7±1.8，LVAD后2.5±0.8；p<0.05）(图4和补充图1).

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晚期HF患者在放置LVAD后的胰岛素抵抗得到纠正（白条-对照组，n=10；黑条-LVAD前HF，n=36；灰条-LVAD后HF，n=30；*p与对照组相比<0.01；#p与LVAD前HF相比<0.05）。

表3

LVAD植入前后的实验室参数。

预-VADVAD后第页-价值
全血细胞计数
红细胞压积，%34.0 ± 5.135.0 ± 6.7NS公司
血红蛋白，g/dL11.1 ± 1.911.6 ± 2.2NS公司
MCV，飞行88 ± 7.088±7.1NS公司
肾功能
BUN，mg/dL40 ± 2127 ± 17<0.01
肌酐，mg/dL1.7 ± 0.81.4 ± 0.6<0.05
肝胆功能
AST、U/L65 ± 12735 ± 220.12
高度，U/L67 ± 12331 ± 2470.06
总胆红素，mg/dL2.3 ± 5.10.8 ± 0.40.06
总蛋白质，g/dL6.5 ± 1.07.4 ± 1.0<0.001
白蛋白，g/dL3.5 ± 0.64.0 ± 0.6<0.001
碱性磷酸酶，U/L101 ± 61120 ± 104NS公司
糖脂代谢
葡萄糖，mg/dL137 ± 49112 ± 41<0.01
糖化血红蛋白，%7.0 ± 1.66.1 ± 1.3<0.05
甘油三酯，mg/dL118 ± 69163 ± 106<0.05
胆固醇，mg/dL129 ± 36170 ± 50<0.001
高密度脂蛋白，mg/dL34 ± 1248 ± 15<0.001
低密度脂蛋白，mg/dL71 ± 27104 ± 42<0.001

对VAD植入前后患者心肌样本中胰岛素信号的分析表明，Akt和Foxo的磷酸化水平显著增加(图5)。这些发现表明心肌胰岛素信号增强是对衰竭心肌机械卸载的反应。

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衰竭心肌的机械卸载增加了心脏PI3K/Akt/Foxo信号。(A类)LVAD放置后Akt和Foxo的心肌激活增加。(B类)Akt和Foxo活化的定量分析。（空条-LVAD前；填充条-LVAD后；n=6名患者在LVAD植入前后；*p<0.05 vs.LVAD前）。

机械卸载后降低心肌毒性脂质

接下来，我们分析了LVAD植入前后患者心肌样本中细胞内脂质和FA的水平。LVAD植入后甘油三酯或FA含量没有变化（p=NS）。相反，LVAD放置后DAG和神经酰胺水平降低（DAG:-31%；与LVAD前相比p<0.05；神经酰胺：-53%；与LVAD前相比p<0.05）(图6A)。令人惊讶的是，这些变化伴随着CD36的表达增加，表明FA摄取增加。LVAD植入后，随着CPT1和PDK4 mRNA水平的增加，FA氧化程度增加，这似乎得到了补偿(图6B)。由于机械卸载后DGAT 1和2 mRNA表达没有改变，因此通过LVAD放置，传入脂质的更大氧化可能阻止其转化为细胞毒性脂质。根据先前关于晚期HF线粒体功能受损以及机械卸载的纠正影响的报告，25LVAD植入后，作为氧化代谢中央调节器的PGC1α的表达也增加（+145%；与LVAD前相比p<0.05），这与线粒体功能和氧化代谢的整体改善一致(图6B)。此外，与晚期HF相比，LVAD植入后心肌中AMPK的激活也增加（+223%；与LVAD前相比，p＜0.05）(图6C).

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机械卸载对晚期HF患者心肌脂质含量、代谢基因表达和AMPK激活的影响(A类)心脏甘油三酯和游离脂肪酸水平没有变化。机械卸载衰竭心肌后，晚期HF患者DAG和神经酰胺水平升高。(B类)机械卸载后心肌代谢基因表达的变化（空条-LVAD前；填充条-LVAD后；*p<0.05 vs.LVAD前）。(C类)与对照组相比，晚期心衰患者的心肌AMPK磷酸化降低在机械卸载衰竭心肌后部分得到纠正（空条-对照组；填充条-LVAD前；灰色条-LVAD后；*p<0.05与LVAD前相比；#p<0.01与对照组；n=6-8名患者在LVAD植入前后）。

VAD植入后PKC活性降低

最后，我们分析了细胞质和膜结合蛋白激酶C亚型的水平，以确定其活性。膜相关PKCα明显减少，表明LVAD植入后患者心肌中PKCα活化减少（-34%；与LVAD前相比p<0.05）。PKCδ表现出非统计显著性降低激活率的趋势（-27%，与LVAD前相比p=0.08）。LVAD植入后PKCθ活性水平无差异。这些数据表明机械卸载衰竭心肌后PKC的激活降低(图7).

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机械卸载前后晚期心衰患者PKC亚型的心肌激活。(A类)通过心室辅助装置放置机械卸载后PKC亚型的膜定位降低。(B类)PKC亚型定位的半定量评估（空条-LVAD前；填充条-LVAD后；n=8名患者在LVAD植入前后；*p<0.05 vs.LVAD前）。

讨论

虽然众所周知，HF会改变糖和脂代谢，但我们目前的研究首次证明，晚期HF患者有一种新的代谢心脏表型，表明非肥胖患者存在心肌脂肪毒性并伴有胰岛素抵抗。这种表型的核心部分是胰岛素信号减少、PKC激活以及DAG和神经酰胺的积累。机械卸载可以纠正这些异常(图8).

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晚期HF胰岛素信号的脂毒性抑制。CD36–分化簇36；FATP——脂肪酸转运蛋白；PKC–蛋白激酶C；IRS–胰岛素受体底物；PI3K–磷脂酰肌醇-3-激酶；GLUT4–葡萄糖转运蛋白4型；Foxo–叉头转录因子；GSK3–糖原合成酶激酶3；p70s6k–70-kDa核糖体蛋白S6激酶；DAG–二酰甘油；TG–甘油三酯；MAG–单酰基甘油；ACS–脂肪酸CoA合成酶；CPT1–肉碱棕榈酰转移酶1。

晚期HF导致分解代谢和合成代谢途径的失衡，有利于疾病晚期的分解代谢和肌肉质量损失。26在某种程度上，这可能是由胰岛素抵抗引起的，胰岛素抵抗已被定性为定义不良结果的预后因素。8，27HF中葡萄糖稳态受损与儿茶酚胺水平升高有关，28轻度炎症，8血流量减少和潜在的制动。在我们的患者中使用LVAD纠正了许多这些异常，并改善了HOMA-IR。在没有HF的情况下，与胰岛素抵抗相关的代谢变化最常被称为“代谢综合征”，其中肥胖最为普遍。在无明显疾病（如血脂异常和肥胖）的个体中确定的代谢危险因素在晚期心衰患者中不具有相同的风险；事实上，一些代谢异常（例如高胆固醇水平或BMI增加）对该患者群体的生存有利。29，30这种明显的悖论在心衰患者中被描述为“脂质悖论”或“肥胖悖论”。

代谢综合征和糖尿病的一个特征是信号脂质的积聚；这些脂质被认为会导致胰岛素抵抗和其他类型的细胞功能障碍。脂质毒性是由于脂质（尤其是FA）摄取增加或脂质氧化和储存受损导致DAG和/或神经酰胺积累所致。DAG和神经酰胺都与胰岛素抵抗有关，14线粒体功能障碍，14，31以及细胞凋亡。32小鼠体内增加组织DAG的基因改变导致胰岛素抵抗，14而预防神经酰胺合成可消除饱和脂肪诱导的胰岛素抵抗。33对严重心衰患者心脏的分析显示，与FA氧化和甘油三酯中脂质的无毒储存相关的基因受到明显抑制。虽然CD36（心脏FA摄取的一种公认的介质）减少了，但进入心脏的残余FA很可能重新生成DAG和神经酰胺，导致这些信号脂质的积累。

脂质积累可能是HF的一个原因，也可能是其后果。已经培育出一系列基因改变的小鼠，这些小鼠由于摄入过量的FA或氧化减少而产生脂质积累。这些包括导致FA被更多捕获的基因过度表达，34，35减少PPAR的激活（PPARD ko和ATGL ko），36，37矛盾的是，PPARα和PPARγ，20，21，38这必然会导致比氧化更大的脂质吸收。其中一些模型具有PKC激活和肥大发展。21因此，除了改变代谢外，脂质积累可能会加剧心力衰竭。

以往的研究已描述HF中细胞内脂质积累增加，并与肥胖和糖尿病有关。之前的一项人类研究表明，肥胖患者心肌中的甘油三酯水平增加（BMI>30 kg/m2)接受心脏移植的晚期HF糖尿病患者。39这些发现与动物研究显示糖尿病小鼠模型心肌甘油三酯水平升高的结果一致。21，38，40相比之下，非糖尿病条件下经主动脉环扎继发心衰的动物模型与心肌甘油三酯含量降低有关。41，42与我们目前的研究不同，以前的人类研究没有区分脂质亚种。有限的数据可用于确定患有晚期心衰的非糖尿病组是否也有各种心脏脂质增加。我们目前的研究发现，在非肥胖患者队列中，FA或甘油三酯没有增加，而神经酰胺和DAG水平增加。也许这是因为糖尿病和肥胖患者数量有限；我们患者的平均BMI为26.5 kg/m2我们还发现主要是脂质代谢和氧化调节因子的基因表达均匀下降。特别是，DGAT1和ATGL水平降低。我们认为，甘油三酯和脂肪酸水平的降低意味着衰竭心肌中能量储存库的耗竭，以及传入脂肪酸转移到DAG和神经酰胺中。潜在的病理生理机制可能是由于线粒体功能障碍导致FA氧化失败，这种现象在晚期HF中已有很好的描述。或者，心肌脂解受损可能是导致FA氧化减少的主要机制。我们的患者显示，小鼠中ATGL表达降低和ATGL缺乏导致PPARα活性降低和脂质使用缺陷。

本研究的中心发现之一是机械卸载对衰竭心肌的心脏代谢的有益影响。VAD的出现改善了晚期HF患者的治疗选择，现在已成为等待心脏移植患者的既定干预措施。我们在这里表明，VAD植入后血流动力学的改善伴随着全身和心脏胰岛素抵抗的降低、葡萄糖稳态的改善以及毒性脂质中间体DAG和神经酰胺水平的降低。毒性脂质中间体激活PKC并随后抑制Akt信号，表明HF相关脂肪毒性和心肌胰岛素抵抗之间存在直接的分子联系。哪些分子机制将生物力学心脏应激与代谢受损联系起来尚待阐明。然而，机械卸载后可逆性心肌代谢紊乱的发现可能揭示了治疗晚期心衰患者的新的治疗策略。虽然我们发现VAD植入后AMPK活性增加，PGC1α表达增强，部分纠正了与对照组相比HF样本中发现的活化状态降低，但其他机制可能有助于改善代谢状态。机械卸载后PGC1α表达增加也表明衰竭心肌的氧化能力和线粒体功能障碍有所改善。

我们的研究有几个局限性。首先，我们只有关于对照患者的不完整的临床和实验室数据，这些数据与使用来自未经鉴定的组织保存库的样本有关。此外，由于组织亚组研究中患者数量有限，我们无法分析患者亚组，如糖尿病与非糖尿病患者、肥胖与非肥胖患者、缺血性与非缺血性心肌病患者。此外，由于我们的研究中患者人数较少，年龄和性别差异的影响尚不清楚。

总之，本研究首次分析了晚期HF患者的脂毒性和胰岛素抵抗的细胞途径。我们的研究表明，脂毒性细胞损伤的一种新途径通过毒性脂质中间体DAG和神经酰胺的积累导致心肌胰岛素抵抗。PKC激活可能是这种病理现象的重要介导者。进一步的研究应侧重于潜在的治疗干预措施，通过PKC抑制或脂代谢改变来纠正受损的心脏代谢和胰岛素抵抗，从而防止有毒脂质中间产物的积聚。

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临床总结

衰竭的人类心脏会出现代谢紊乱，其特征是脂肪酸转化为ATP生成所需的葡萄糖。这些代谢变化伴随着胚胎发生过程中常见的转录变化。我们研究的目的是调查与对照组相比，晚期心力衰竭患者样品中有毒脂质中间产物的心肌水平。此外，我们分析了衰竭心肌的机械卸载是否能纠正受损的心脏代谢。为此，我们分析了在左心室辅助装置（LVAD）植入、移植以及对照组中获得的晚期心力衰竭患者的心肌和血清。心力衰竭患者的全身胰岛素抵抗伴随着心肌甘油三酯和总脂肪酸含量的降低，但毒性脂质中间体、二酰甘油（DAG）和神经酰胺的增加。与对照组相比，已知调节胰岛素信号传导的几个下游信号分子（Akt、Foxo和PKC）在衰竭心肌中也被发现失调，从而导致胰岛素抵抗状态。LVAD植入改善了胰岛素抵抗，降低了心肌中有毒脂质中间产物DAG和神经酰胺的水平，而TG和FFA含量保持不变。因此，心力衰竭患者会出现心肌代谢异常、胰岛素抵抗和脂肪毒性。通过LVAD植入的机械卸载可纠正晚期心力衰竭患者的全身和局部代谢紊乱。本研究描述了随着心脏脂肪毒性的发展，心力衰竭患者的代谢变化。此外，这些发现表明，机械卸载衰竭心肌对纠正晚期人类心力衰竭的代谢紊乱具有潜在的治疗意义。

补充材料

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致谢

资金来源：这项工作得到了NHLBI（K23 HL095742-01、P30 HL101272-01、UL1 RR 024156、HL073029和HL45095）的资助，以及Schulze博士获得的Herbert和Florence Irving学者奖。Khan博士得到了NHLBI T32007343的支持。Aalap Chokshi得到了Doris Duke奖学金项目的支持。Drosatos博士得到了美国心脏协会创始人协会博士后奖学金的支持。

脚注

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