靶向内皮细胞GTPCH1/BH4通路的激活可逆转与吸烟相关的肥胖所导致的血管功能障碍

《Biochemical Pharmacology》：Targeted endothelial GTPCH1/BH4 pathway activation reverses vascular dysfunction in smoking-associated obesity

吸烟叠加肥胖通过破坏GTPCH1/BH4/eNOS轴引发血管内皮功能障碍及氧化应激，机制研究为干预提供新靶点。

　　

吴杰布|李思思|于毅|董超然|卢东|郑东杰|范哲宇|连光|张伟|白云龙

中国哈尔滨医科大学药学院，SKLFZCD药理学系（国家重点实验室-省级生物医学-药学实验室-教育部心血管研究重点实验室），中国哈尔滨150081

摘要

肥胖和吸烟是两种主要的心血管风险因素，它们经常同时存在，但它们对血管功能的综合影响及其潜在机制尚未得到充分研究。本研究显示，短期暴露于香烟烟雾（CS）仅在肥胖小鼠中引起持续的内皮功能障碍，而在瘦小鼠中几乎没有血管效应。暴露于CS的肥胖小鼠表现出乙酰胆碱诱导的血管舒张严重受损、血压升高、持续的血管氧化应激以及加速的内皮衰老。整合代谢组学和转录组学分析表明，CS在肥胖的基础上进一步驱动了独特的代谢和转录重编程，其特征是氧化还原稳态和炎症信号传导的紊乱。机制上，CS选择性地抑制了肥胖小鼠中的内皮GTP环化酶1（GTPCH1）表达，导致四氢生物蝶呤（BH4）耗竭、内皮一氧化氮合酶（eNOS）解偶联、一氧化氮生物利用度降低和超氧阴离子生成增加。特异性恢复内皮GTPCH1表达或使用sepiapterin进行药物治疗可重新建立eNOS的耦合，恢复正常的内皮氧化还原平衡，并恢复血管功能。总之，我们证明了CS在肥胖背景下会导致持续的内皮功能障碍，这一现象与GTPCH1/BH4/eNOS轴的紊乱有关。这为解释肥胖吸烟者较高的心血管风险提供了机制上的解释，并确定了可干预的分子靶点。

引言

肥胖和香烟烟雾（CS）暴露在全球范围内仍然非常普遍，是心血管疾病的主要驱动因素。全球约有25亿成年人超重，其中8.9亿人肥胖，凸显了代谢风险的严重性[1]。同时，2024年估计有12亿人使用烟草[2]。这些风险因素在个体中经常同时存在，导致心血管系统暴露于毒性压力之下。流行病学研究表明，肥胖和吸烟的共同存在会使心血管风险和死亡率超过单独任何一个因素[3],[4],[5],[6]。最近的前瞻性证据进一步支持这两种因素对心血管疾病死亡率的交互作用呈乘积级增加[7]。然而，这种高度易感性的血管机制仍不明确。

内皮是一个动态的、异质性的内分泌器官，通过调节血管张力、氧化还原平衡、炎症和血栓形成来维持心血管稳态[8],[9]。内皮功能障碍被认为是高血压、动脉粥样硬化和冠心病发病机制中的早期和核心事件，同时也是心脏代谢和环境损伤的敏感整合者[8],[10]。研究表明，包括烟草产品和其他环境压力源在内的多种暴露都会导致内皮损伤，其特征是一氧化氮（NO）生物利用度降低、氧化应激和炎症激活[11],[12],[13]。在肥胖和吸烟共同作用下，内皮细胞对血管功能障碍的贡献程度及其具体机制仍不清楚。

内皮NO信号传导主要由内皮一氧化氮合酶（eNOS）调控，其酶活性依赖于氧化还原活性辅因子四氢生物蝶呤（BH4）。在生理条件下，BH4稳定了eNOS二聚体并促进电子转移，从而确保了一氧化氮的有效合成[14]。然而，BH4与二氢生物蝶呤（BH2）的比例降低会促进eNOS解偶联，导致酶产生超氧阴离子而非一氧化氮，从而损害血管舒张并加剧氧化应激[15],[16],[17]。BH4的生物利用度由其生物合成途径控制，其中GTP环化酶1（GTPCH1）是限速酶。先前的研究已将GTPCH1/BH4信号传导受损和eNOS解偶联与糖尿病和高血压等心脏代谢疾病中的血管功能障碍联系起来[18],[19],[20]。然而，尚不清楚这一轴是否参与了代谢和毒性共同压力源加剧内皮损伤的机制。

在本研究中，我们使用一种成熟的饮食诱导肥胖的小鼠模型来探讨CS暴露对血管内皮功能的影响。通过结合血管反应性检测、内皮细胞分析以及多组学方法，我们试图表征CS暴露在肥胖中的血管后果，并阐明相关的分子机制。我们的发现表明，CS通过破坏GTPCH1/BH4/eNOS轴选择性地引发肥胖小鼠中的持续内皮功能障碍，从而为肥胖者吸烟导致的心血管风险增加提供了机制上的解释，并确定了潜在的治疗干预靶点。

实验动物

本研究中的所有动物护理和实验方案均获得了哈尔滨医科大学伦理委员会的批准，并在伦理委员会的监督下进行。实验过程中严格遵循了实验室动物福利标准，所有动物均饲养在22-24℃的环境中，具有12小时的光照/黑暗周期，并可自由获取食物和水。雄性C57BL/6小鼠年龄为6-8周，来自中国辽宁的长生生物技术有限公司。

香烟烟雾导致肥胖小鼠的血管功能障碍

为了确定CS是否以状态依赖的方式引起血管功能障碍，我们首先在维持正常饮食（ND）的小鼠中研究了其影响。在这种条件下，4周的CS暴露并未损害Ach诱导的血管舒张，而8周的长期暴露则导致了可检测到的血管功能障碍（图1A和B）。随后，我们在肥胖背景下研究了CS暴露的影响。通过给予高脂饮食（HFD）12周，然后是4周的...

讨论

本研究探讨了CS暴露对肥胖状态下血管内皮功能的影响及其潜在机制。短期CS暴露在肥胖小鼠中引起了显著且持续的内皮功能障碍，表现为内皮依赖的血管舒张受损、血管氧化应激升高、内皮细胞衰老和血压升高。机制上，CS暴露抑制了内皮GTPCH1表达，降低了BH4的可用性...

CRediT作者贡献声明

吴杰布：撰写-原始草稿，项目管理，数据管理，概念构思。 李思思：方法学，数据管理。 于毅：数据管理。 董超然：验证，软件应用。 卢东：数据管理。 郑东杰：方法学。 范哲宇：验证，软件应用。 连光：数据管理。 张伟：撰写-审阅与编辑，项目管理，研究，概念构思。 白云龙：撰写-审阅与编辑，项目管理，研究。

资助

本研究得到了国家自然科学基金（编号：82170240）、广东中医药实验室项目计划（编号：HQL2024PZ039）、广东省高等教育机构中医慢性病防治重点实验室（编号：2024KSYS024）以及哈尔滨医科大学寒冷地区心血管疾病国家重点实验室（SKLFZCD）开放项目计划（编号：HDHY2024009）的支持。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

我们感谢上海NewCore生物技术有限公司的明杰陈提供的数据分析和可视化支持。