《Scientific Reports》：Metabolic reprogramming enhances oxidative stress resistance in differentiating cardiomyocytes
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本研究针对心肌细胞分化过程中代谢重塑与氧化应激抵抗机制不清的问题，通过多组学方法揭示了H9c2心肌细胞分化伴随的代谢重编程特征。研究发现分化心肌细胞经历从糖酵解向氧化代谢的显著转变，关键通路包括苹果酸-天冬氨酸穿梭、谷胱甘肽代谢和三羧酸循环的激活。尽管分化细胞表现出更高的活性氧（ROS）水平，但其DNA损伤修复能力增强，对H2O2挑战具有更强抵抗力。这项工作为理解心肌细胞在富氧环境中的适应性机制提供了新视角。
心血管疾病是全球首要死因，成人心脏因心肌细胞增殖能力有限，损伤后主要被纤维化组织替代，导致病理性心脏重塑和心力衰竭。心肌细胞分化过程中会发生显著的代谢重塑，从葡萄糖为主要能量底物转变为脂肪酸，这一转变与出生时心肌细胞暴露于富氧环境相吻合。虽然线粒体是活性氧（ROS）的主要来源，其质量增加可能导致氧化应激加剧，但分化心肌细胞如何平衡代谢转变与氧化损伤抵抗的机制尚不清楚。
在这项发表于《Scientific Reports》的研究中，Lara Basseres Novais等研究人员通过整合代谢组学、生物物理学和生物化学方法，系统揭示了心肌细胞分化过程中的代谢重编程特征及其对氧化应激抵抗的影响。
研究人员主要运用了以下关键技术：荧光寿命成像显微术（FLIM）分析活细胞代谢状态，气相色谱-质谱联用（GC-MS）进行非靶向代谢组学分析，超高分辨率结构光照明显微镜（SR-SIM）观察细胞形态和细胞核变化，免疫荧光染色评估线粒体形态、ROS水平和DNA损伤标志物γ-H2AX焦点形成，以及蛋白质印迹分析PUMA表达。实验采用H9c2心肌细胞系作为模型，通过降低血清浓度和添加视黄酸诱导分化。
心肌母细胞分化导致多核心肌细胞形成且Ki67表达降低
通过SR-SIM成像证实，H9c2心肌母细胞（CMB）在分化过程中从单核梭形形态转变为多核纤维样形态。Ki67增殖标志物表达随分化进程显著降低，第3天后核定位明显减少，第7-10天形成多核细胞，符合终末分化特征。
荧光寿命成像显示心肌细胞分化后的代谢转变
FLIM分析显示，分化心肌细胞（CM）的平均荧光寿命（1.16±0.17 ns）显著长于心肌母细胞（0.89±0.14 ns），表明代谢环境重塑。CM中短寿命颗粒（脂褐素）数量增加，提示氧化应激加剧。FLIRR（荧光寿命氧化还原比率）计算显示CM值（0.42±0.04）高于CMB（0.34±0.05），证实代谢从糖酵解向氧化磷酸化转变。
GC-MS分析阐明分化心肌细胞的代谢转变
代谢组学分析发现109个分子特征，PCA和PLS-DA模型清晰区分分化前后样本。19种已知代谢物发生显著改变：葡萄糖、果糖等糖酵解中间体降低；柠檬酸、苹果酸、酮戊二酸等TCA循环代谢物升高；天冬氨酸、谷氨酸等苹果酸-天冬氨酸穿梭组分上调；甘氨酸、异亮氨酸、苏氨酸、缬氨酸等氨基酸消耗增加。
MetaboAnalyst工具揭示心肌细胞分化过程中富集的代谢通路
通路富集分析识别出25条显著改变的代谢通路，包括丙氨酸、甘氨酸和丝氨酸代谢，精氨酸和脯氨酸代谢，天冬氨酸代谢，缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸降解等氨基酸代谢通路，以及苹果酸-天冬氨酸穿梭、谷氨酸代谢和谷胱甘肽代谢。这些变化表明氨基酸分解为TCA循环提供底物，支持氧化磷酸化。
分化心肌细胞呈现更高ROS水平但增强氧化应激抵抗能力
线粒体追踪显示CM线粒体面积增大、形态更椭圆，但数量无变化。CellROX检测发现CM的ROS水平显著高于CMB。尽管ROS升高，γ-H2AX焦点计数显示CM与CMB的DNA损伤水平相似。H2O2挑战实验中，CM虽维持较高ROS水平，但DNA损伤比例较低，PUMA表达未上调，细胞存活率（约50%）远高于CMB（约10%），表明CM具有更强的氧化损伤修复和抗凋亡能力。
这项研究系统阐明了心肌细胞分化过程中的代谢重编程特征，发现尽管分化伴随氧化应激增强，但细胞通过调控苹果酸-天冬氨酸穿梭、谷胱甘肽代谢等通路，增强了DNA损伤修复能力和氧化应激抵抗。这一适应性机制为理解心肌细胞在出生后富氧环境中的存活策略提供了新见解，对心血管疾病的防治研究具有重要启示。研究的局限性包括GC-MS技术对非挥发性代谢物的覆盖不足，H9c2模型缺乏自发搏动特性，以及未能完全模拟出生后的氧浓度骤变环境。未来研究可结合原代心肌细胞或iPS来源的心肌细胞模型，进一步验证这些发现。
