心力衰竭是各种心血管疾病的终末期，通常以病理性心肌肥大为特征。到目前为止，心力衰竭的发病机制尚不完全清楚。全球心血管疾病负担和流行病学证据表明，除了基因遗传和高血压等传统风险因素外，暴露于外源性环境污染物也是一个新的风险因素。最近北京大学郑乐民教授团队，通过人类心脏类器官模型揭示抗菌剂三氯卡班通过干扰内皮细胞代谢促进心肌肥大。
#1
研究背景
Background
环境污染是心力衰竭等心血管疾病中重要但经常被忽视的风险因素。三氯卡班（TCC）是一种广谱抗菌剂，常用于抗菌肥皂、洗涤剂、牙膏和化妆品等个人护理产品。然而，由于其广泛使用，TCC已成为全球十大最常见的水污染物之一，广泛存在于大气、土壤和水生沉积物中。由于其高亲脂性和缓慢的环境降解速度，TCC可以在环境中积累并被生物有机体吸收。最近，一项研究证实了人类接触抗菌剂TCC与冠心病有关。小鼠动物研究也表明TCC对心脏有毒性。然而，TCC环境暴露对人类心血管健康的确切影响及其潜在机制仍然未知。为了更好地模拟人类心脏的病理生理复杂性并减少对动物实验的依赖，本研究采用了来自人类诱导多能干细胞（hiPSC）的心脏类器官（hCO）作为研究模型，探讨了在环境相关剂量（1、2、5 μmol/L）下TCC暴露的影响和机制。
#2
研究思路
Methods
利用心脏类器官作为研究模型，探讨了环境相关剂量（1、2、5 μmol/L）下TCC暴露后心脏类器官的表征和转录组变化，评估了TCC的心脏毒性以及对心脏类器官代谢的影响。
#3
研究结果
Results
1. TCC暴露诱导心脏类器官中氨基酸代谢重编程
在心脏类器官（hCO）的分化过程中，研究人员观察到hCO的大小显著增加，并在5.5天左右形成了腔状结构和有节奏的跳动。基因表达数据分析显示，hCO在心脏细胞系的复杂性上表现出更高的多样性，包括心内膜、心外膜、内皮细胞和心脏成纤维细胞。此外，hCO中的心脏发育转录因子表达与胎儿心脏组织相似，免疫荧光染色结果进一步确认心肌细胞是hCO中的主要细胞类型。这些发现揭示了hCO能够密切模拟人类胎儿心脏的发育，并产生主要的心脏细胞系，使其成为研究心脏疾病的有力模型。
为了评估三氯卡班（TCC）的心脏毒性，研究人员将hCO暴露于不同浓度（0、1、2和5 μmol/L）的TCC环境中24小时。结果显示，5 μmol/L TCC处理的hCO中乳酸脱氢酶（LDH）活性显著增加，表明细胞膜受损。同时，5 μmol/L TCC组的hCO自发跳动减慢，心率降低，而低剂量TCC处理组无显著差异。进一步的单细胞分析显示，1 μmol/L和2 μmol/L TCC暴露导致心肌细胞微丝间距变宽、纤维模糊和细胞骨架不规则，而5 μmol/L TCC处理的心肌细胞则表现出细胞形态变化和细胞膜受损。心肌细胞表面积的检查发现，1 μmol/L和2 μmol/L TCC导致心肌细胞表面积呈剂量依赖性增大，而5 μmol/L TCC处理下未观察到显著变化，这可能与毒性作用导致的心肌细胞部分死亡和细胞膜损伤有关。心力衰竭指标A型利钠肽（ANP）和B型利钠肽（BNP）的mRNA表达水平在2和5 μmol/L TCC暴露下上调，5 μmol/L TCC组炎症因子TNF-α、IL-1β和IL-6的mRNA表达也显著增加。这些结果表明，1 μmol/L和2 μmol/L TCC暴露导致心脏类器官心肌肥大，但对心率和心肌毒性无显著影响，而5 μmol/L TCC暴露则表现出更强的心脏毒性作用。
对2 μmol/L TCC暴露24小时的hCO进行转录组学分析，研究人员发现TCC暴露导致与氨基酸转运相关的溶质载体蛋白家族（SLC）成员SLC7A11、SLC7A5和SLC3A2的表达显著上调，暗示TCC暴露可能影响心脏类器官中的氨基酸转运。KEGG通路富集分析进一步证实了TCC暴露在代谢途径水平上对氨基酸合成的影响。RT-PCR和WB检测结果也支持了SLC7A11 mRNA和蛋白水平的剂量依赖性增加。综上所述，TCC暴露诱导心脏类器官中氨基酸代谢重编程，为理解TCC的心脏毒性作用提供了新的视角。
图1 自组织心脏类器官的建立与表征及TCC暴露后的转录组变化
2. TCC通过促进人脐静脉内皮细胞中总蛋白亚硝基化影响内皮功能
为了深入探究三氯卡班（TCC）对心脏类器官代谢的影响，研究人员采用¹H NMR全谱代谢组分析和基于LC/MS的靶向代谢组学验证方法进行研究。通过多变量统计分析1H NMR数据，研究人员发现TCC暴露引起心脏类器官剂量依赖性的代谢改变。具体来说，随着TCC暴露浓度的增加，二甲氨基（DMA）水平显著增加，而肌醇、精氨酸、谷氨酸和谷氨酰胺水平显著减少。DMA作为甲基化精氨酸的下游代谢产物，这些结果表明TCC暴露可能干扰心脏类器官的氨基酸代谢，尤其是精氨酸代谢途径。
鉴于心肌细胞和内皮细胞是心脏类器官中最主要的细胞类型，研究人员进一步验证了TCC对这两种细胞的影响。在人脐静脉内皮细胞（HUVEC）中，随着TCC暴露剂量的增加，SLC7A11、SLC3A2、SLC7A5和ARG2的mRNA表达显著增加，SLC7A11蛋白表达水平也显著升高，与心脏类器官的转录组学结果一致。然而，在心肌细胞（AC16）中这些变化不显著。ADMA（DMA前体）的绝对定量检测显示，在HUVEC细胞中显著增加，但在AC16细胞中无变化。靶向代谢组学研究还发现，TCC暴露后HUVEC中瓜氨酸和内源性抗氧化代谢物谷胱甘肽（GSH）显著减少。此外，TCC处理的内皮细胞上清液导致AC16细胞中BNP水平升高，表明内皮细胞代谢物可能引起心肌细胞反应。ADMA处理心肌细胞和心脏类器官导致肥大表型，表明ADMA可能是内皮细胞和心肌细胞间串扰的代谢物之一。这些结果表明，低剂量TCC暴露诱导的心脏类器官代谢变化主要是由于对内皮细胞的作用，影响了精氨酸代谢途径。
研究人员进一步研究了TCC对内皮细胞功能的影响，发现TCC（1和2 μmol/L）暴露导致NO产生减少，PI3K/AKT-eNOS通路中的蛋白质磷酸化水平显著降低，表明TCC暴露影响了NO合成。5 μmol/L TCC暴露则诱导促炎介质iNOS的高表达，并伴有NO和炎性细胞因子水平升高，影响内皮细胞中的精氨酸代谢和NO平衡，导致内皮功能障碍和炎症。
氧化应激是内皮功能障碍和NO生物利用度降低的主要诱因。研究人员观察到TCC刺激后细胞内ROS含量增加，表明TCC以时间依赖和剂量依赖性诱导ROS的产生。在TCC暴露的心脏类器官中，SLC7A11、SLC3A2和谷胱甘肽过氧化物酶（GPX4）基因的表达显著增加，而转铁蛋白受体1（CD71）的表达下降，表明TCC暴露可能影响铁稳态，激活xCT-GPX4系统保护细胞免受氧化应激损伤。iNOS活性升高和亚硝化应激可导致蛋白质中半胱氨酸残基的S-亚硝基化，破坏其功能。TCC处理的HUVEC中总蛋白亚硝基化的增加，表明TCC暴露会导致氧化应激，促进HUVEC中促炎介质iNOS的表达，驱动总蛋白亚硝基化，从而影响内皮功能。
图2 氨基酸的代谢谱在心脏类器官和人脐静脉内皮细胞（HUVEC）中的变化
小结
研究结果表明，暴露于环境污染抗菌剂TCC可诱导hCO肥大和代谢重塑，并证实了内皮细胞代谢在病理性心脏肥大中早期的促进作用，其剂量可在心肌损伤之前诱导内皮代谢的变化。从机制上，TCC暴露通过改变心脏类器官内皮细胞中的精氨酸代谢来干扰NO平衡。随着剂量的增加，ROS的产生和iNOS的激活导致内皮细胞的亚硝化应激和炎症，影响内皮功能障碍，最终促进心脏类器官心肌肥大。这些结果表明，内皮精氨酸代谢途径和亚硝基应激可能是治疗心肌肥厚的新靶点。
参考文献
Yang N, Chen J, Zhu Y, Shan W, Cao Z, Fu Y, Cao H, Li Y, Xiang Y, Ding S, Wang H, Zhao Y, Ji L, Zhan R, Wu Y, Wang Z, Dong M, Zheng L. Human cardiac organoid model reveals antibacterial triclocarban promotes myocardial hypertrophy by interfering with endothelial cell metabolism. Sci Bull (Beijing). 2024 Nov 27:S2095-9273(24)00869-7. doi: 10.1016/j.scib.2024.11.037.
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