中山大学实验动物中心和中山医学院生物化学与分子生物学系蔡卫斌教授、中山医学院细胞生物学系曹楠教授、中山大学孙逸仙纪念医院妇产科妇科生殖内分泌专科主任陈慧教授为该论文的通讯作者。中山大学中山医学院博士后谭静、2019级博士生杨明为第一作者。

人和哺乳动物心肌再生能力缺失和心脏受损后强烈的纤维化反应是心血管疾病治疗面临的瓶颈性问题,实现人类的心脏产生类似于斑马鱼、蝾螈等具有的完全再生能力是科学家们追求的梦想。哺乳动物心肌再生潜能被证实确实存在,但这种能力却十分有限或处于关闭状态,难以满足临床治疗的需要。在发育过程中哺乳动物如何“关闭”心肌细胞再生能力?而重启心脏再生之门的“钥匙”又是什么?这些科学问题的回答不仅能解释哺乳动物心脏发育与再生的基本生命现象,同时也能为心脏疾病的治疗探寻可行的方法和策略。近十多年来,心脏再生领域已取得突破性进展,动摇了“哺乳动物心肌细胞是终末分化细胞”的学术论断。但尚未能找到临床适用的、有效的诱导内源性心肌细胞增殖的可靠策略。

在这项研究中,作者发现乳鼠与成年小鼠的心率与心肌增殖能力呈负相关。进一步对鼠源及人源心肌细胞进行临床常用降心率药物的干预,证实在降低心肌细胞原有搏动频率的10%-20%,可诱导心肌细胞增殖。同时,作者还采用了体外物理电刺激方式改变心肌细胞搏动,以排除药物自身药理作用的影响。随后在三种心肌损伤模型(乳鼠及斑马鱼心尖切除模型、成年鼠急性心肌梗死模型)中进行正反验证,证实适度降低心率可重启心肌细胞增殖进而促进损伤心脏的再生性修复。在机制探究中,RNA-Seq结果提示降低心率主要改变了心肌细胞中细胞周期与代谢相关基因的表达。系统性检测细胞周期变化证实,降低心率主要上调了心肌细胞中Cyclin D1的表达,促进G1/S期转化,从而诱导心肌细胞重新进入细胞周期。进一步通过细胞能量代谢检测,结合代谢组学及代谢流分析发现,降低心率使心肌细胞发生能量代谢重编程即能量代谢需求降低,而糖代谢相对增加;一方面糖代谢酶发挥非酶活性促进细胞周期进程,另一方面磷酸戊糖途径被激活,以满足增殖心肌细胞所需的生物合成代谢需求,共同促进心肌细胞增殖。该项目揭示了心肌细胞持续节律性搏动、独特能量代谢模式及有限增殖能力这三大生物学特性的内在联系,即降低心肌细胞的搏动速率,可影响其能量代谢模式,进而促进心脏再生。作者专访

Cell Press细胞出版社特别邀请论文通讯作者蔡卫斌教授代表团队进行了专访,请他为大家进一步详细解读。

包括心肌梗死在内的心脏病在全球范围内都是造成死亡的重要原因。请您为我们介绍一下诱导心肌细胞的细胞周期变化在治疗受损心脏再生方面的作用。

为促进心肌细胞增殖,最直接的手段即调控细胞周期相关因子,诱导心肌细胞重新进入细胞周期。有研究表明,在心肌细胞中同时过表达CDK1、CDK4、Cyclin B1和Cyclin D1四种细胞周期相关基因,可有效诱导小鼠、大鼠和人心肌细胞重新进入细胞周期和分裂,实现15-20%心肌细胞的稳定分裂,可在心肌梗死后对小鼠心脏进行增殖修复。亦有研究证实,出生后的富氧环境使心脏中活性氧含量增加,造成DNA损伤及细胞周期阻滞。对心梗小鼠行低氧处理可缓解心肌细胞的细胞周期阻滞,促进心脏再生。在我们的研究中证实,降低心率可以上调心肌细胞中多种糖代谢酶的表达水平,使其发挥非酶活性促进细胞周期进程。

临床常用降心率药物可增加人源及鼠源心肌细胞增殖相关指标(EdU、pH3、Aurora B)的阳性率;细胞周期流式检测表明降低心率后G0/G1期心肌细胞的比例减少,S期比例增加;并且Cyclin D1的蛋白表达量显著增加,以上结果证实适度降低心率可促进心肌细胞的G1/S期进程,从而诱导心肌细胞重新进入细胞周期。在心肌损伤模型中,适度降低心率除可促进心肌细胞增殖外,还可减轻心脏的纤维化反应及病理性肥大,促进心脏收缩功能恢复,促进血管新生,共同促进心脏的再生性修复。

适度降低心率使心肌细胞发生特定的能量代谢重编程即能量代谢需求降低,AMP/ATP比例减少;而糖代谢相对增加,主要表现为心肌细胞的糖摄取增加,且依赖糖的有氧氧化供能增加。心肌细胞在这种特定的代谢状态下,一方面促进糖代谢酶发挥非酶活性促进细胞周期进程;另一方面代谢流及代谢组学分析还发现心肌细胞的磷酸戊糖途径被激活,核糖合成增加,满足增殖心肌细胞所需的生物合成代谢需求,共同促进了心肌细胞增殖。

我们的研究发现,适度降低心率能上调糖酵解途径中多种关键代谢酶的表达。在肿瘤研究领域中,已经证实这些糖代谢酶可发挥非酶途径促进肿瘤细胞的细胞周期进程。最近研究表明,糖代谢关键酶PKM2也可通过直接结合β-catenin,促进Cyclin D1及c-Myc的转录活性,促进心肌细胞增殖。在我们的研究中数据显示降低心率主要上调了Cyclin D1的表达,同时也观察到PKM2的入核转运增多。进一步利用PKM2的抑制剂可阻断降心率药对心肌细胞的促增殖作用。以上结果表明降低心率可通过激活PKM2的入核转运,促进Cyclin D1进而重启心肌细胞增殖。

本研究揭示了心率变化、心肌能量代谢与心脏再生间的关系,请问该研究成果能够为急性期的心肌保护和心脏损伤修复提供怎样的指导?

我们的研究结果一方面证实了心肌能量代谢与心肌细胞增殖的密切关系,为后续深入研究心肌细胞代谢调控与增殖提供理论支持;另一方面也揭示了临床常用抗心律失常/降心率药物(如美托洛尔、胺碘酮、普萘洛尔、伊伐布雷定等)改善心肌梗死及心衰预后的新机制,为临床提供了可应用的诱导心肌细胞增殖的方法,期待我们的学术观点能被临床研究进一步证实。作者介绍蔡卫斌

蔡卫斌,中山大学中山医学院教授、博士生导师。中山大学实验动物中心执行主任、中山大学深圳校区实验动物中心主任、广东省疾病模式动物工程技术研究中心主任、广东省实验动物学会常务副理事长、广东省医学会心血管病分会基础学组委员、中国实验动物学会实验动物标准化委员会常务委员。2007毕业于中山大学,获医学博士学位;2012年9月在美国西奈山医学中心完成博士后工作;2013年底晋升教授。主要致力于心脏发育与损伤修复的分子基础研究、疾病模式动物研发与标准化研究。近年来在Cell Reports、Nat Commun、yb体育Theranostics、Development等期刊发表SCI论文50余(第一作者或通讯作者24篇),获得发明专利和著作权授权6项,主持国家自然科学基金7项,获得2020年度中国实验动物学会“优秀青年人才奖”。曹楠

曹楠,中山大学中山医学院教授,博士生导师,国家重点研发计划青年首席科学家,广东省医学领军人才。2012年于中科院上海生命科学研究院获得细胞生物学博士学位;于2012年起在美国加州大学旧金山分校从事博士后研究。2017年获聘中山大学“百人计划”引进人才。主要从事心血管细胞命运调控机理研究及心脏再生修复新策略/药物研发。在Science、Nature、Nat Cell Biol、Nat Biomed Eng、Cell Res、Cell Stem Cell、Circ Res、Adv Sci等著名期刊上发表SCI学术论文25篇(第一作者或通讯作者9篇)。申请/获授权国际PCT专利3项、美国专利2项、及中国发明专利3项。陈慧

陈慧,中山大学孙逸仙纪念医院妇产科妇科生殖内分泌专科主任、博士生导师,中山大学中山医学院遗传学与细胞生物学教研室临床副主任,妇幼健康研究会生殖免疫学专业委员会常务委员、广东省医师协会妇产科医师分会副主任委员、广东省医学会生殖免疫与优生学分会副主任委员、广东省医学会妇产科学分会青年副主任委员。获得“广东省杰出青年医学人才”、“岭南名医”等称号。主要致力于早产、流产等妊娠及胚胎发育相关疾病诊疗及发病机制研究。获得国家重点研发计划1项、国家自然基金2项、省级、校级基金共10项,发表SCI学术论文21篇。获得7项专利。编写《流产基础与临床》、《早产基础与临床》等专著。

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