番茄红素通过抑制心脏微血管内皮细胞中FABP3介导的焦亡反应，从而保护心肌免受缺血-再灌注损伤

《The Journal of Nutritional Biochemistry》：Lycopene Protects Against Myocardial Ischemia-Reperfusion Injury by Inhibiting FABP3-Mediated Pyroptosis in Cardiac Microvascular Endothelial Cells

心肌缺血再灌注损伤（MI/RI）与心脏微血管内皮细胞（CMEC）功能障碍及YTHDF1/E2F8/FABP3轴激活密切相关。本研究证实番茄红素通过抑制该轴，减少炎症反应和细胞凋亡，改善CMEC功能及心肌微循环，为MI/RI治疗提供新靶点。

　　

作者：沙月通、谢亚文、关雪、王欣然、张倩辉、曹永刚、史丕龙、孙红丽

哈尔滨医科大学药理学系，黑龙江省163319

摘要

心脏微血管损伤与心肌缺血/再灌注损伤（MI/RI）的发展存在显著关联，这可能与线粒体功能障碍有关。番茄红素已被证明对心血管疾病具有药理作用。然而，番茄红素在MI/RI中的潜在作用及其作用机制尚未完全明了。本研究旨在探讨番茄红素对MI/RI大鼠模型中心脏微血管内皮细胞（CMEC）功能的影响，以阐明其作用机制。采用大鼠MI/RI模型，通过定量实时聚合酶链反应、Western blot分析、免疫荧光显微镜、酶联免疫吸附测定、分子对接和分子动力学模拟等多种实验方法进行研究。体外实验建立了缺氧-再氧合模型，评估番茄红素在抑制细胞焦亡和预防线粒体功能障碍方面的作用。结果发现，番茄红素通过抑制CMEC中的YTHDF1/E2F8/FABP3轴，抑制cGAS-STING信号通路的激活，减少细胞炎症反应，并抑制细胞焦亡，从而改善CMEC功能，增强微血管完整性，提高心肌细胞的灌注和氧气供应。

引言

心肌缺血/再灌注损伤（MI/RI）是心肌损伤的主要原因，也是多种心血管疾病的病理生理机制，最终导致医疗费用增加和死亡率上升[1]。近期研究日益认识到微循环在维持心脏功能中的重要作用。MI/RI导致冠状微血管损伤的途径包括微栓塞、血管运动障碍、毛细血管阻塞和白细胞浸润，这些机制与心肌细胞损伤的机制有所不同[2,3]。此外，这些病理变化会发展为心脏水肿和可能的冠状动脉无复流现象，从而降低再灌注干预的治疗效果。由于冠状微血管异常已成为患者预后的不良指标，因此深入理解其基本机制并寻找有效的治疗手段至关重要[4,5]。 通过心脏导管插入术进行紧急血管重建以及冠状动脉外科干预是减轻心肌梗死后缺血损伤的有效策略。然而，氧气和底物的重新供应常常会引发MI/RI，其特征是线粒体功能障碍、活性氧（ROS）过度产生、线粒体钙调节紊乱和心肌细胞死亡[6, [7], [8]]。研究表明，再灌注损伤引起的线粒体损伤与ROS升高、炎症级联反应启动、内皮细胞扩张、白细胞积聚和血管张力调节紊乱有关，最终导致微血栓形成和微血管阻塞[9]。针对线粒体修复和ROS清除的治疗干预措施已被证明可以改善MI/RI条件下的微血管功能障碍，并有望缓解无复流现象[10]。这些证据强烈表明，针对线粒体功能的干预措施是保护心脏组织和微血管免受MI/RI损害的可行策略[11]。在缺血/再灌注过程中，线粒体是氧化应激的主要来源[12,13]。在线粒体内部会产生大量自由基和ROS，导致脂质、蛋白质和DNA的氧化损伤[14]。尽管已有大量证据表明线粒体功能障碍与MI/RI之间存在关联，但针对线粒体途径的有效治疗策略尚未确立。 番茄红素是一种广泛存在于水果和蔬菜中的类胡萝卜素[15,16]，具有天然抗氧化作用。它具有多种生物学效应，包括增强多种抗氧化酶活性[17]、维持正常的细胞代谢过程[18]和调节脂质代谢途径[19,20]等。此外，研究表明番茄红素是一种强效抗氧化剂[21,22]。在类胡萝卜素化合物中，它具有最强的清除单线态氧和过氧自由基的能力，同时通过核因子红系相关因子2（nuclear factor erythroid2-related factor 2）调节抗氧化酶的产生[23,24]。此外，番茄红素还通过核因子κB（NF-κB）信号通路调节炎症过程。Hung等人的研究利用人类内皮细胞发现，番茄红素处理可降低NF-κB活性和细胞间粘附分子1的表达[25]。然而，番茄红素在MI/RI中的潜在保护机制尚未完全阐明。 本研究首先通过RNA-seq分析发现MI/RI期间FABP3表达显著升高。随后，定量实时聚合酶链反应（qRT-PCR）显示，MI/RI大鼠的心脏组织中FABP3 mRNA表达显著升高。然而，经过番茄红素处理后，FABP3 mRNA水平显著降低。这些观察结果表明，FABP3可能是番茄红素在MI/RI中发挥心脏保护作用的关键靶点。脂肪酸结合蛋白3（FABP3）属于FABP家族，可促进长链脂肪酸在细胞内的运输，对ω-6多不饱和脂肪酸具有较高的结合亲和力[26, [27], [28]]。急性心肌损伤后，FABP3会迅速释放到循环系统中[29, [30], [31]]。研究表明，FABP3与氧化应激相关，例如循环中的FABP3与氧化应激生物标志物（如丙二醛和不对称二甲基精氨酸）呈正相关，与一氧化碳诱导的心脏毒性患者的总抗氧化能力呈负相关[32]。先前研究还发现，FABP3在缺血神经元线粒体中积累，参与脂质过氧化和BAX相关凋亡，并是线粒体损伤的关键启动因素[33]。尽管这些发现表明FABP3可能参与心脏疾病的发病和进展，但关于MI/RI期间FABP3的研究仍有限。 E2F家族成员在从植物到哺乳动物的多种生物体的细胞周期G1/S转换过程中发挥关键作用。E2F家族通常根据功能分为两类：转录激活因子（E2F1、E2F2和E2F3a）和转录抑制因子（E2F3b、E2F4、E2F5、E2F6、E2F7和E2F8）[34]。先前的研究表明，E2F8-FABP3通路促进肝脂肪变性。Guo等人发现E2F8与YTHDF1有显著关联[35]。YTHDF1是一种N6-甲基腺苷（m⁶A）结合蛋白，通过调节目标mRNA的翻译和稳定性参与肿瘤发生和转移[36, [37], [38], [39], [40], [41]]。m⁶A是最常见的真核mRNA修饰形式。甲基转移酶（如METTL3和METTL14）可在线粒体N6位点添加甲基[42]。某些“读取”蛋白能够识别并结合m⁶A位点，从而调节RNA的剪接、输出、降解和翻译[43,44]。因此，假设E2F8转录因子介导的FABP3转激活可能是MI/RI发展中的YTHDF1下游机制。 本研究探讨了番茄红素在MI/RI实验模型中的治疗效果，并阐明了其作用机制。结果表明，番茄红素显著减小了心肌梗死的面积并增强了MI/RI实验动物的心脏功能。机制上，FABP3缺乏可恢复线粒体功能，减少ROS生成，并抑制缺氧-再氧合（H-R）条件下心脏微血管内皮细胞（CMEC）的细胞焦亡。具体而言，番茄红素通过防止mtDNA从线粒体转移到细胞质环境中来增强线粒体功能。这些观察结果表明，调节FABP3表达水平可能是MI/RI干预的可行方法。 RNA-seq分析显示FABP3基因与MI/RI大鼠相关。通过下调CMEC中的E2F8，发现FABP3可抑制H-R进程。随后进行了全面的分子对接和分子动力学（MD）模拟，以明确YTHDF1蛋白与小分子复合物之间的结合模式。随后在CMEC中过表达YTHDF1，结果表明番茄红素通过YTHDF1/E2F8轴缓解了H-R引起的CMEC功能损伤。

动物实验

动物实验

6-8周大的雄性SD大鼠（体重200-250克）被随机分为五组（每组6只）：（1）对照组：接受安慰剂（玉米油，腹腔注射）；（2）模型组：接受手术并接受安慰剂（玉米油，腹腔注射）；（3-5）番茄红素处理组：分别接受25、50或100毫克/千克/天的番茄红素（Solarbio，中国）。番茄红素溶解在玉米油中。之后，各组大鼠可自由进食标准饮食（版本1090202）。

番茄红素对MI/RI大鼠心脏具有保护作用

动物实验框架如图1A所示。为了确定番茄红素是否对大鼠的MI/RI具有保护作用，在手术干预后14天给予番茄红素（25、50和100毫克/千克）。心脏功能参数的分析表明，番茄红素处理（50和100毫克/千克）在改善左心室射血分数（LVFS）和左心室射血分数（LVEF）方面效果显著（图1B–E）。

讨论

MI/RI作为心血管外科手术后的常见并发症，是治疗心血管疾病时必须考虑的关键问题，包括心肌梗死。在缺血-再灌注期间，CMEC是缺血心肌组织的主要损伤靶点，其结构完整性的破坏可能引发心肌细胞损伤的级联反应[57]。

结论

总之，番茄红素改善了心脏微血管内皮细胞的功能，从而减轻了大鼠的MI/RI。机制上，番茄红素通过抑制心脏微血管内皮细胞中的YTHDF1/E2F8/FABP3轴来增强线粒体功能，抑制cGAS-STING信号通路的激活，减少细胞炎症反应，并抑制细胞凋亡。这最终改善了心脏功能。

资助

本研究得到了省级高校基本研究基金的支持（针对沙月通，项目编号JFQN202404）。

数据可用性声明

本研究使用的数据可应要求向相应作者索取。

写作过程中未使用生成式AI或AI辅助技术

伦理声明

本研究已获得哈尔滨医科大学实验动物伦理委员会的批准（动物实验伦理审查协议编号2,009, 104）。伦理批准编号：HMUDQ20241226001

作者贡献声明

沙月通：撰写 - 初稿撰写、研究、审稿与编辑、方法学设计、验证。谢亚文：验证、审稿与编辑、研究。关雪：验证、审稿与编辑、研究。王欣然：

作者贡献声明 沙月通：撰写 - 审稿与编辑、初稿撰写、验证、方法学设计。谢亚文：撰写 - 审稿与编辑、验证、研究。关雪：验证、审稿与编辑、研究。王欣然：验证、研究。张倩辉：方法学设计、研究。曹永刚：研究。史丕龙：概念构思。孙红丽：撰写 - 审稿与编辑、验证、监督、研究、概念构思。

利益冲突声明

所有作者均声明无利益冲突。

致谢

不适用。