文章标题：Targeting gut microbiota–derived kynurenine to predict and protect the remodeling of the pressure-overloaded young heart
发表期刊：Science Advances
影响因子：12.5
客户单位：上海交通大学儿童医学中心心胸外科
百趣提供服务：新一代代谢组学NGM 2 Pro、微生物群落多样性测序
研究背景
儿童压力过载左心室(Pressure-overloaded left ventricular, poLV)疾病（如主动脉缩窄、主动脉瓣狭窄）会引发心室重构，表现为心肌肥厚、间质纤维化，若干预不及时，将发展为不可逆心衰。但现有指标（如NT-proBNP、cTNI）仅能反映晚期损伤，无法早期识别心肌内部损伤与功能恶化。团队通过多组学技术，旨在寻找早期诊断标志物与靶向治疗靶点，填补临床空白。
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研究结果
01.血浆犬尿氨酸升高是儿童与小鼠poLV重塑的共性特征，诊断效能优于传统指标
发现队列（10例poLV患儿vs10例对照）中，非靶标代谢组学检测显示两组血浆代谢谱差异显著（图1A），犬尿氨酸(Kynurenine, Kyn)与左心室后壁舒张末期厚度Z值(LVPWd Z)、左心室质量指数(LVMI)等核心重塑指标相关性最强。验证队列（19例poLV患儿vs25例对照）经UHPC-MS/MS定量检测，poLV组Kyn水平显著升高（图1C），且与LVPWd Z、LVMI呈强正相关（图1D-E），其诊断临界值为2421.39 nM。
相较于传统心血管指标，Kyn的ROC曲线下面积显著高于心肌肌钙蛋白 I(cTNI)，且诊断效能优于N端脑钠肽前体(NT-proBNP)和cTNI，可有效识别早期无症状的poLV重塑患儿（图1F）。
为验证临床发现，研究构建新生小鼠升主动脉缩窄(nAAC)模型模拟儿童poLV病理状态，检测发现4周龄nAAC小鼠血浆Kyn同样显著升高，且与左心室射血分数(LVEF%)、左心室舒张末期直径(LVDd)等重塑指标密切相关，与人类队列研究结论高度一致，证实血浆Kyn升高是儿童与小鼠poLV重塑的共性特征。
图1.非靶标代谢组学检测发现poLV儿童血浆犬尿氨酸水平升高
02.Kyn通过激活AHR，分别促进心肌细胞肥厚与成纤维细胞纤维化
芳烃受体(Aryl hydrocarbon receptors, AHR)核转位是关键机制：nAAC小鼠左心室中，Kyn转运体SLC7A5转录水平表达上调（图2A），AHR虽mRNA水平无变化（图2B），但蛋白从细胞质向细胞核转移（图2C）；在分离的小鼠心肌细胞(mCMs)和成纤维细胞(mCFs)中，均观察到AHR核转位（图2D-E）。人诱导多能干细胞来源心肌细胞(hIPS-CMs)和人成纤维细胞(hCFs)中，添加Kyn可诱导AHR核转位，此效应可被Kyn转运体抑制剂BCH阻断；AHR激动剂TCDD（阳性对照）可模拟Kyn效应（图2F-I）；荧光素酶实验显示，500μM Kyn可使hIPS-CMs和hCFs中荧光素酶活性显著升高，证实其能激活AHR的靶基因调控活性（图2J-K）。
图2.过多的血浆Kyn激活了poLV中CMs和CFs的AHR
03.Kyn-AHR轴通过上调下游靶基因，加剧心脏重塑病理进程
心肌细胞：Kyn处理使hIPS-CMs和mCMs出现病理性细胞面积增大、蛋白/DNA比值升高（图3D-G），AHR拮抗剂CH223191可逆转此效应。成纤维细胞：划痕实验证实Kyn促进hCFs和mCFs增殖与迁移（图3A-C），CH223191可抑制该过程。AHR敲除(AHR⁻/⁻)小鼠中，Kyn无法加剧nAAC诱导的心脏重塑——即与野生型(WT)nAAC小鼠相比，AHR⁻/⁻nAAC小鼠的左心室重量/胫骨长度、LVEF%及纤维化程度均无显著恶化（图3H-L）。
转录组测序结合染色质免疫沉淀(ChIP)显示，AHR直接结合并上调心肌细胞中的ADAMTS2（肥厚相关基因），以及成纤维细胞中的COL1A1、FN1（纤维化相关基因）（图4A-C）；Kyn处理可显著上调这些基因的mRNA和蛋白水平，BCH或CH223191可阻断该效应（图4D-K）。
图3.Kyn和AHR活化的增加加重了心脏重构
图4.Kyn-AHR激活启动了肥大和纤维化基因的表达
04.人类poLV组织单细胞核RNA测序验证Kyn-AHR轴的病理作用
对4例左心室流出道梗阻(LVOTO)患儿的左心室组织行单细胞核RNA测序，依据血浆Kyn水平分为低Kyn组(mKyn)和高 Kyn组(hKyn)，结果在人类临床层面证实了Kyn-AHR轴的病理调控作用（图5）：高Kyn组成纤维细胞占比显著升高，AHR表达无明显组间差异，但其下游靶基因ADAMTS2、COL1A1、FN1均显著上调；心肌细胞富集CM2/CM3未成熟/促重构亚群，成纤维细胞向促重构表型转化，且两类细胞的对应亚群中，肥厚、纤维化相关靶基因表达均显著升高，该结果与体外细胞及动物模型实验结论高度一致。
图5.poLV患者左心室组织单细胞核RNA测序证实Kyn AHR轴作用
05.肠道菌群失衡是poLV小鼠血浆Kyn升高的根源
肠道菌群与肠道屏障改变：nAAC小鼠腹主动脉和肠系膜动脉血流减少，结肠黏膜萎缩、肠绒毛稀疏，肠道屏障功能受损（紧密连接蛋白Occludin表达显著降低）；16S rRNA测序显示，nAAC小鼠肠道菌群α多样性显著降低，Firmicutes/Bacteroidetes比值显著下降（与炎症相关），且结肠组织中色氨酸代谢为Kyn的关键酶IDO/TDO比值上调，提示肠道内Kyn合成增加。粪菌移植(FMT)实验证实因果关系：无菌(GF)小鼠基线血浆Kyn显著低于常规C57BL/6小鼠（图6A）；给GF小鼠移植nAAC小鼠粪便后，血浆Kyn水平显著高于移植健康小鼠粪便的GF小鼠（图6B），证实失衡的肠道菌群是Kyn过量产生的核心原因。
图6.益生菌重建nAAC小鼠肠道菌群并降低血浆犬尿氨酸
06.补充特定益生菌可重塑肠道菌群、降低Kyn，缓解心脏重塑
给nAAC小鼠灌胃含“长双歧杆菌913、嗜酸乳杆菌145、粪肠球菌ATCC 19433”的复合益生菌悬液后，宏基因组测序显示其肠道菌群结构向正常水平恢复，nAAC小鼠中富集的有害菌(Clostridium、Acutalibacter muris)丰度降低，正常小鼠中高丰度的有益菌(Lactobacillus、Bifidobacterium)丰度升高（图6C-G）；益生菌处理使nAAC小鼠血浆Kyn水平显著下降（图6H），且对移植了nAAC小鼠粪便的GF小鼠补充该益生菌后，其血浆Kyn也明显降低（图6I）；益生菌干预显著改善nAAC小鼠心功能（LVEF%升高）、降低左心室重量/胫骨长度，心肌肥厚（H&E、WGA染色）和心肌纤维化（Masson、Sirius Red染色）程度均显著减轻（图7A-J），同时心肌细胞及成纤维细胞中ADAMTS2、COL1A1、FN1等Kyn-AHR轴下游靶基因的表达均显著下调（图7K-M）。
图7.益生菌对poLV重塑保护作用的评价
研究总结
本研究聚焦poLV重塑问题，通过临床队列、动物模型、细胞实验及多组学技术，首次发现肠道菌群来源的犬尿氨酸(Kyn)是介导poLV重塑的关键代谢物，其血浆水平在poLV患儿及nAAC小鼠中显著升高，诊断效能优于NT-proBNP、cTNI等传统指标，可有效识别早期无症状重塑。机制上，Kyn经SLC7A5转运入胞后诱导芳烃受体(AHR)核转位，通过上调心肌细胞肥厚相关基因ADAMTS2、成纤维细胞纤维化相关基因COL1A1/FN1，分别促进心肌细胞肥厚与成纤维细胞增殖迁移，该Kyn-AHR轴的病理作用在人类poLV组织单细胞核RNA测序中得到验证。进一步研究证实，nAAC小鼠因肠道灌注不足、屏障受损引发菌群失衡，色氨酸代谢关键酶IDO/TDO比值上调，是血浆Kyn升高的核心根源；而灌胃长双歧杆菌913、嗜酸乳杆菌145、粪肠球菌ATCC 19433复合益生菌，可有效重塑失衡肠道菌群、降低血浆Kyn水平，通过抑制Kyn-AHR轴下游靶基因表达，显著缓解小鼠心肌肥厚与纤维化、改善心功能。
