AmBeed文献解读｜Nature Medicine

烟酸的终末代谢产物促进血管炎症，增加心血管疾病风险

  

     2024 年 2 月 19 日，美国南加州大学Hooman Allayee课题组和克利夫兰诊所Stanley L. Hazen课题组在Nature Medicine发表题为《A terminal metabolite of niacin promotes vascular inflammation and contributes to cardiovascular disease risk》的研究。研究结果表明烟酸代谢与主要不良心血管事件 (MACE) 相关。过量烟酸的最终代谢物2PY（N1-甲基-2-吡啶酮-5-甲酰胺）和4PY（ N1-甲基-4-吡啶酮-3-甲酰胺）的血清水平与 3 年 MACE 风险增加相关。遗传变异 rs10496731 与 2PY 和 4PY 水平显著相关，该变异与可溶性血管粘附分子 1 (sVCAM-1) 的水平相关。用生理水平的 4PY 进行治疗，可诱导小鼠 VCAM-1 的表达以及白细胞对血管内皮的粘附。总的来说，这些结果表明过量烟酸的终末代谢产物 2PY 和 4PY 均与心血管疾病残余风险相关。他们还提出了 4PY 和 MACE 之间临床关联的炎症依赖性机制。

研究背景

尽管在预防心血管疾病方面已经取得了进展，但仍残留较高心血管疾病（CVD）风险。烟酸，也称维生素 B3，是一种人体必需的微量营养素，多年来，它作为补充剂的使用有所增加，但其在 CVD 中的作用尚不清楚。治疗性烟酸（每天1500-2500mg）是最早用于治疗血脂异常的药物之一；然而，在现代他汀类药物时代，其降低心血管疾病风险的功效受到了质疑。只有一部分心血管疾病是由已确定的风险因素造成的。已经注意到，炎症标志物升高，个体残余CVD风险增加。临床试验表明，烟酸可以降低低密度脂蛋白（LDL）胆固醇，与此同时，提高高密度脂蛋白胆固醇，降低甘油三酯。在联合他汀类药物治疗的情况下，烟酸不仅未能降低心血管疾病风险，而且在荟萃分析中，它甚至提高了总体死亡率。因此，人们已经认识到，烟酸对心血管疾病具有更复杂的影响（所谓的“烟酸悖论”，其中它降低了LDL胆固醇，但没有降低CVD的风险）。

研究内容

     一种元素组成为 C₇H₉O₂N₂，高分辨率质荷比为153.0656 Da 的物质，是与 MACE 风险增加最相关的未知代谢物。为了进一步了解此物质，研究人员使用针对横断面数据设计的基于网络模块的通路分析方法分析了所有非靶向代谢组学数据。基于网络模块的通路分析，假设荷比为153.0656 Da 的候选 MACE 相关分析物可能不是单个分子，而是两种同分异构体的混合物—— 2PY（ N1-甲基-2-吡啶酮-5-甲酰胺）和4PY (N1-甲基-4-吡啶酮-3-甲酰胺)，化学结构如图1所示。2PY和4PY标准的化学合成和表征能够明确证明 MACE 相关分析物确实是 2PY 和 4PY 的混合物（图2c，d）。

图1. 过量的烟酸或NAD代谢为2PY和4PY

图2. 2PY 和 4PY 的鉴定

  研究人员在两个验证队列（美国，n = 2331，欧洲，n = 832）中测试 2PY 和 4PY 的循环水平是否与发生 MACE 风险相关。 Kaplan-Meier 分析表明，每个验证队列中的 2PY 或 4PY 循环水平较高的个体具有较高的 MACE 风险（图3a-d），并且在 Cox 比例风险回归分析中，在调整已确定的 CVD 风险因素后，升高的 2PY 或 4PY 水平与最高和最低四分位数的 MACE 风险增加相关。在美国验证队列和欧洲验证队列中都观察到了相似的结果（调整后的 HR（95％CI），2PY 分别为：1.64（1.10-2.42）和 2.02（1.29-3.18），4PY 分别为：1.89（1.26-2.84）和 1.99（1.26-3.14）；图 3e-h）。

图3. 在两个独立的临床队列中，烟酸代谢产物 2PY 和 4PY 与前瞻性MACE风险增加有关。

    研究人员使用全基因组关联研究（GWAS）研究了循环 2PY 和 4PY 的遗传决定因素。总计有37453人和11609人被纳入 2PY 和 4PY 的荟萃（meta）分析。如图 4a 中的迈阿密图所示，2PY（P = 1.6×10^-41）和 4PY（P = 7.2×10^-12）的水平与 2 号染色体上的同一位点相关。2PY（rs10496731）和 4PY（rs6430553）的先导变体均位于基因 ACMSD（氨基羧基粘康酸半醛脱羧酶）内，并且彼此之间处于近乎完美的连锁不平衡状态（LD）（r² = 0.96）（图 4b、c）。此外，在所有队列中，rs10496731 和 rs6430553 的 T 和 C 等位基因分别与 2PY 和 4PY 水平的升高持续相关。基因型-组织表达 (GTEx) 项目的数据进一步表明，rs10496731 的 T 等位基因通过改变功能性剪接变体的丰度与 ACMSD 活性降低相关（图 4d）。为了验证 ACMSD 调节 2PY 和 4PY 水平的假设，研究人员通过向小鼠注射表达靶向 Acmsd 的短发夹 RNA (shRNA) 或对照 shRNA 的肝嗜性腺相关病毒 (AAV) 来降低 Acmsd 表达。注射四周后，与对照组相比，注射 Acmsd shRNA AAV 的小鼠肝脏中的 Acmsd mRNA 和蛋白质水平分别显著降低 41% 和 37%（图 4e、f）。小鼠注射 Acmsd shRNA AAV 后，血清中的 2PY 和 4PY 水平也分别增加了 3.6 倍和 49%（图 4g）。这些数据验证了 ACMSD 在小鼠和人类的 2PY 和 4PY 代谢中发挥作用。

图4. ACMSD 与 4PY 水平和血管炎症有关。

 研究人员使用了表型组关联研究 (PheWAS) 来确定 2PY 和 4PY 水平与 MACE 风险增加之间的假定生物学机制。为了进一步证实 rs10496731 与 sVCAM-1 水平的关联，研究人员测量了来自美国验证队列的 974 个样本的 sVCAM-1。在这些个体中，sVCAM-1 水平与 MACE 风险增加相关（调整后的 HR (95% CI)，2.38 (1.14–4.95)，P = 0.02）并且与 rs10496731 相关（P = 0.02）。此外，sVCAM-1 水平也与 2PY（Spearman rho = 0.13，P = 7.7×10^-5）和 4PY（Spearman rho = 0.18，P = 1.1×10^-8）的循环水平相关（图 5a、b）。此结果与英国验证队列数据及其他各种队列的公开汇总数据进行了rs10496731和sVCAM-1水平的meta分析，进一步证实了 rs10496731 与 sVCAM-1 的循环水平显著关联（P = 3.6 × 10⁻¹⁸）。

 体外和体内功能实验用于研究生理水平的 2PY或4PY是否会引起内皮细胞的 VCAM-1表达。将人血管内皮细胞与 2PY、4PY、载体对照或脂多糖 (LPS) 作为阳性对照一起孵育。生理水平的 4PY 而非 2PY，会刺激人内皮细胞中 VCAM-1 的 mRNA 和蛋白质表达（图 5c、d）。体内功能实验用于研究 2PY 或 4PY 是否对动脉 VCAM-1 表达和功能有急性影响。药代动力学研究表明，腹腔内注射 2PY 和 4PY 的半衰期约为 1 小时。因此，在 0 小时、2 小时和 4 小时后给小鼠注射 2PY、4PY 或载体对照，以确保循环水平保持足够长的升高时间，以使 VCAM-1 蛋白能够表达。第一次注射六小时后，主动脉内皮细胞 VCAM-1 表达因 4PY 而升高，但没有因 2PY 升高（图 5e、f），与体外研究结果一致。进一步的功能研究测试了 4PY 治疗（而不是 2PY）是否会增强白细胞在体内对血管壁的粘附。在类似暴露于 4PY、2PY 或载体后，活体显微镜显示，生理水平的 4PY（而非 2PY 或载体）增加了耳小静脉中粘附白细胞的数量（图 5g、h）。

图5. 4PY 增强 VCAM-1 表达和白细胞粘附。

结论

在本研究中，通过使用非靶向代谢组学作为发现平台，以及随后的结构阐明研究以及多项验证、遗传和血管功能研究，发现2PY、4PY均与 CVD 具有临床相关性，并且两种代谢物在遗传上也与血管炎症有关。研究表明，过量烟酸的终末代谢产物，尤其是4PY，与 MACE 的发生风险有关，并且可能通过炎症途径与残余 CVD 风险的发病机制有关，包括VCAM-1表达的直接增强。

图6. 实验使用的4-chloronicotinic acid (Ambeed, A229266)和6-oxo-1,6-dihydropyridine-3-carboxylic acid (Ambeed, A297691)均来自AmBeed

文献DOI: http://10.1038/s41591-023-02793-8