《Metabolites》：Metabolomic Profiling of Tyrosine Kinase Inhibitor-Induced Endothelial Dysfunction and Cardiovascular Toxicity
Gurkaranvir Singh,
Inderjeet Bharaj,
Joey Bettencourt,
Amarjit Kaur Sekhon,
Gurparvesh Singh,
Aaron Sidhu,
Emanuel Zayas Diaz,
Sulaiman Paika,
Ariel De Leon and
Ambar Andrade
+ 3 authors
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这篇综述深入剖析了酪氨酸激酶抑制剂(TKI)在抗癌治疗中引发心血管毒性的代谢基础。文章通过整合代谢组学、蛋白质组学和转录组学数据，系统阐释了TKI导致心血管损伤的三个核心机制：线粒体能量代谢障碍、内皮一氧化氮(NO)信号失衡与氧化应激，以及特征性的炎症代谢谱。作者指出，这些发现为开发早期预警代谢标志物面板、实施基于代谢组学的风险分层以及设计靶向干预策略（如L-肉碱补充）提供了科学依据，有望推动实现精准心脏肿瘤学，在保障抗癌疗效的同时，最大程度减轻心血管损害。
1. 引言：酪氨酸激酶抑制剂与心血管不良反应
靶向癌症治疗的革命性药物——酪氨酸激酶抑制剂(TKIs)，通过竞争性抑制酪氨酸激酶的ATP结合位点，阻断诸如MAPK、PI3K–AKT和JAK–STAT等驱动恶性细胞增殖和存活的信号通路，已成为肿瘤治疗的基石。然而，其显著疗效伴随着不容忽视的心血管毒性风险。这些毒性源于药物对心血管组织中表达的激酶（如血管内皮生长因子受体VEGFR、血小板衍生生长因子受体PDGFR）的脱靶抑制，导致内皮功能障碍、血管稳态失衡等一系列问题。临床上，心血管并发症已成为TKIs最常见且可能限制治疗的非肿瘤性不良反应，包括高血压、心力衰竭、左心室收缩功能障碍、动静脉血栓事件以及QT间期延长等。这些事件的病理生理基础是内皮和心肌毒性的双重打击，涉及NO生物利用度降低、血管完整性受损、线粒体损伤、活性氧(ROS)生成以及脂肪酸氧化(FAO)受损等。与蒽环类药物的剂量依赖性心肌坏死不同，TKI相关的心脏毒性若早期发现并中断用药，通常是部分可逆的。然而，由于毒性表现的异质性、现有监测工具的局限性以及肿瘤学工作流程整合的挑战，TKI治疗期间的心血管监测仍面临诸多困难，凸显了对早期、特异性生物标志物和干预策略的迫切需求。
2. 代谢组学在心血管研究中的方法学
代谢组学，作为对代谢过程中产生的小分子进行全面研究的工具，为理解TKI诱导的心血管毒性提供了全新的视角。该领域主要依赖两大分析技术：质谱(MS)和核磁共振(NMR)光谱。质谱技术，特别是与液相色谱(LC–MS)或气相色谱(GC–MS)联用时，因其高灵敏度和特异性，能够检测包括痕量代谢物在内的广泛化合物，是代谢物发现和靶向定量的金标准。而核磁共振技术则以其优异的再现性、无需样品破坏以及提供精确化学结构信息的能力见长，尤其适用于定量研究和纵向监测。在样本选择上，血浆或血清因可无创获取并能反映全身代谢状态而最为常用；尿液则便于纵向监测和人群筛查；心肌组织虽能最直接揭示心脏特异性代谢变化，但获取困难，多限于动物模型。然而，跨平台差异和样品前处理等因素是影响研究可重复性的关键挑战，需通过严格的质量控制、内标使用和批次校正算法来应对。
3. 临床前代谢组学对TKI毒性的洞见
临床前研究，特别是在啮齿类动物模型中的应用，已经开始描绘TKI心脏毒性的生化图谱，揭示了在三个相互关联的代谢领域中存在一致的扰动。首先是线粒体能量代谢，多种TKI暴露会导致腺苷酸和嘌呤中间体（如AMP、腺苷、肌苷）的耗竭，这反映了细胞腺苷酸池的缩减和氧化性ATP生成的受损，伴随着线粒体超微结构异常。其次是脂质代谢和膜完整性，舒尼替尼等VEGFR/PDGFR抑制剂会导致心肌长链多不饱和脂肪酸(PUFAs，如DHA和EPA)及下游磷脂中间体的显著减少，损害膜流动性、线粒体功能和抗炎信号。最后是氨基酸代谢和氧化还原稳态，含硫氨基酸和抗氧化相关物种的代谢常被扰乱，例如牛磺酸耗竭会削弱钙处理、渗透调节和抗氧化缓冲能力，而甲硫氨酸、同型半胱氨酸和半胱氨酸水平的改变则干扰了转硫途径和谷胱甘肽的生物合成。这些代谢指纹为早期生物标志物开发和靶向缓解策略（如补充PUFA、牛磺酸或线粒体保护剂）提供了候选目标。
4. 索拉非尼和舒尼替尼啮齿类动物模型：表型、机制与考量
索拉非尼和舒尼替尼的啮齿类模型揭示了其心脏毒性的多因素性质。索拉非尼模型显示，在与心肌梗死等额外心脏应激结合时，可导致死亡率急剧增加，并伴有心肌细胞坏死和代偿性肥大。代谢组学分析揭示了心脏和骨骼肌中牛磺酸/亚牛磺酸通路的显著改变。机制探索表明，其涉及钙处理受损、内质网应激通路(PERK–eIF2α–ATF4)激活以及线粒体复合物I亚基下调。而舒尼替尼模型则通过代谢、线粒体和微血管机制的组合诱发心脏毒性。代谢组学分析显示心脏组织中长链ω-3和ω-6脂肪酸（特别是DHA和AA/EPA）的显著耗竭，这些改变与超声心动图观察到的早期舒张功能障碍相关。机制研究表明，舒尼替尼破坏线粒体氧化磷酸化，促使其向糖酵解转变，并与内皮素-1信号传导有关。尽管这些模型提供了关键机制见解，但其大多使用短期治疗且宿主不携带肿瘤，可能低估了累积毒性和癌症相关恶病质的影响。
5. 机制通路分析
TKI的心脏毒性效应是多方面的，主要源于几条关键细胞通路的破坏。5.1. 线粒体生物能量学与脂肪酸氧化。线粒体是心肌细胞能量稳态的核心，其功能障碍是TKI诱导心脏毒性的常见主题。临床前研究显示，索拉非尼和舒尼替尼暴露与腺苷酸代谢物耗竭有关，反映了腺苷酸池收缩和线粒体ATP合成受损。TKIs还会通过过量产生活性氧(ROS)和活性氮诱导线粒体氧化/亚硝化应激。过氧化物酶体增殖物激活受体γ共激活因子1-α(PGC-1α)通路失调、脂肪酸合成途径抑制以及随之而来的代谢向糖酵解转变，进一步损害了心肌的能量供应和收缩功能。
5.2. 内皮一氧化氮信号与氧化应激。内皮功能障碍和氧化应激是TKI相关心脏毒性的关键通路。靶向VEGFR和PDGFR的TKIs破坏血管信号，损害一氧化氮(NO)的生物利用度，并促进活性氧(ROS)生成。VEGFR阻断导致“脱靶”的PI3K–Akt–eNOS信号丢失，减少eNOS磷酸化和NO产生。同时，血管氧化还原平衡向促氧化途径倾斜，NADPH氧化酶(Nox)和功能失调的线粒体成为超氧化物(O2–)的主要来源。超氧化物与NO反应，化学性消耗NO并形成过氧亚硝酸盐(ONOO–)，后者氧化四氢生物蝶呤(BH4)。BH4的氧化导致eNOS“解耦联”，使其从NO生产者转变为净O2–来源，形成氧化损伤的正反馈循环。NO的丧失和ROS水平升高驱动内皮细胞凋亡和毛细血管稀疏，增加外周阻力和降低微血管灌注，最终导致高血压、微血管稀疏和血管舒张反应受损等临床后遗症。
5.3. 炎症代谢物特征。在接受TKI治疗的患者中观察到的循环氨基酸、肌酸和甘露醇水平升高，构成了一致的炎症代谢特征。增加的支链和芳香族氨基酸可增加线粒体底物流量，使电子传递链超载，促进过量ROS生成。同样，血浆肌酸水平升高会破坏能量稳态并损害氧化磷酸化。肌酸积累与ATP生成减少和L-精氨酸可用性降低相关，进一步限制了NO合成并加剧氧化还原失衡。氨基酸驱动的线粒体超载和肌酸相关的能量衰竭共同作用，激活NF-κB等氧化还原敏感转录因子，从而上调血管粘附分子和促炎细胞因子，促进内皮激活、白细胞募集和屏障功能障碍。此外，血浆甘露醇水平升高表明存在渗透应激和内皮通透性改变。高渗条件破坏紧密连接和细胞骨架组织，从而增加血管渗漏和屏障功能障碍。甘露醇诱导的渗透应激也会激活MAPK和TonEBP/NFAT5等机械敏感信号级联，放大促炎基因表达和内皮激活。这些变化共同促进了接受TKI治疗患者的血管僵硬、高血压和促动脉粥样硬化重塑。
6. 转化视角与未来方向
6.1. 与蛋白质组学和转录组学的整合。将代谢组学与蛋白质组学和转录组学数据集结合，可以加强机制推断和生物标志物发现。例如，长链脂肪酸减少若伴随CPT1蛋白或mRNA水平降低，则表明是LCFA转运受损而非外周清除增加。整合分析应使用时序采样和组合样本，以绘制从激酶抑制到代谢表型的轨迹。蛋白质组学和转录组学层有助于解释非特异性代谢物生物标志物，通过揭示组织来源和调控驱动因素，提高心脏特异性与全身性效应的区分度。
6.2. 用于风险分层的早期预警面板。早期预警代谢物面板旨在不可逆损伤发生前识别TKI心脏毒性高风险患者。这些面板应结合反映互补轴的代谢物：线粒体能量代谢（腺苷酸/嘌呤代谢物、肌酸）、脂质完整性（DHA/EPA、酰基肉碱）以及氧化还原/炎症状态（牛磺酸、犬尿氨酸、硝基酪氨酸替代物）。面板开发需要在表型明确的临床前和临床队列中进行发现，在靶向平台(LC-MS/MS)上进行分析验证，并进行具有预定义阈值和决策规则的前瞻性临床验证。风险模型应整合临床协变量、影像学和循环生物标志物以提高阳性预测值。
6.3. 代谢组学指导的干预措施。代谢组学分析已确定了几种有前景的代谢物作为TKI诱导心脏毒性的潜在治疗靶点。临床前证据支持使用L-肉碱作为舒尼替尼诱导心脏毒性的代谢组学指导干预措施。舒尼替尼会降低心肌肉碱，抑制AMPK-α2，增加ACC2活性和丙二酰辅酶A水平，从而抑制CPT1介导的LCFA线粒体摄取和β-氧化。在啮齿动物模型中，口服L-肉碱可恢复心肌肉碱，重新激活AMPK信号，降低ACC2和丙二酰辅酶A水平，增加CPT1表达，使心脏酶和指数正常化，并逆转纤维化和炎症标志物。这些机制和表型的逆转支持了肉碱缺乏在舒尼替尼诱导心脏毒性中的因果作用，并证明了早期临床试验的合理性。除肉碱外，代谢组学还有助于识别其他靶向补充剂（PUFAs、牛磺酸、BH4前体）或重新利用的药物（AMPK激活剂、Nox抑制剂）以恢复代谢弹性。
7. 靶向预防性治疗策略
7.1. 风险分层模型与临床整合。风险分层应将传统心血管评分与心脏肿瘤学特异性工具相结合。HFA/ICOS风险评估工具整合了合并症、生物标志物、心电图和影像学，可产生个体化风险类别，并在TKI治疗队列中显示出优异的敏感性。新兴的临床基因组模型通过纳入与心律失常或收缩功能易感性相关的遗传变异，增加了判别力。多学科方法对于解释基因组发现并平衡肿瘤获益与心血管风险至关重要。
7.2. 监测策略与多学科管理。对于中高风险患者，实施包括心电图、生物标志物面板（高敏肌钙蛋白、NT-proBNP）和超声心动图（包括应变成像）在内的定期监测是有益的。监测频率应根据风险层级和药物效力进行个体化。生物标志物升高或心脏功能下降应触发快速评估，并考虑调整治疗或启动心脏保护药物。将心脏肿瘤学嵌入肿瘤科门诊的多学科护理路径，有助于就剂量调整、暂时停药或启动ACE抑制剂、ARB或β受体阻滞剂进行心脏保护做出快速决策。
7.3. 预测性转化模型与实施。人诱导多能干细胞源性心肌细胞(hiPSC-CMs)为研究心脏毒性提供了一个可扩展且更准确模拟人体心脏环境的模型。体外到体内外推(IVIVE)框架将hiPSC-CMs测定与定量系统药理学(QSP)相结合，可以预测临床相关给药方案下功能损伤的可能性和时间进程。此外，整合了临床和基因组数据的多参数高通量面板可用于训练机器学习风险模型，以预测个体易感性并指导个性化监测强度。转化模型必须经过分析验证、临床验证和临床效用论证。预测输出应整合到电子健康记录中，并设定明确的操作阈值和护理路径。
8. 结论
本综述综合临床前和转化代谢组学证据，表明酪氨酸激酶抑制剂(TKIs)诱导了一系列潜在的、会聚的代谢和血管扰动，这些是心血管毒性的基础。三个相互关联的机制——伴有长链脂肪酸氧化受损的线粒体生物能量衰竭、伴有氧化还原失衡和微血管稀疏的内皮一氧化氮信号破坏，以及以氨基酸、肌酸和渗透调节物失调为特征的炎症代谢特征——在啮齿动物、细胞和人类数据集中 consistently 出现。这些生化改变与组织学损伤、收缩功能障碍和不良重塑相关，并为干预提供了机制靶点。将代谢组学与蛋白质组学、转录组学和基于hiPSC的平台进行转化整合，加强了因果推断，并使得开发早期预警生物标志物面板成为可能。当这些面板嵌入基于HFA/ICOS的风险分层和多学科监测路径时，可以识别出需要及时心脏保护措施的患者。支持代谢组学指导干预（最显著的是使用L-肉碱对抗舒尼替尼诱导的代谢阻断）的临床前数据，说明了恢复底物利用、减轻炎症、氧化应激和纤维化的潜力。展望未来，代谢物面板的前瞻性验证、标准化的多组学工作流程以及生物标志物驱动的干预试验，对于将这些见解转化为临床实践至关重要。通过将机制理解与可操作的检测和靶向预防相结合，精准心脏肿瘤学可以在保持肿瘤疗效的同时，最大限度地减少心血管损害。
