谷氨酰胺代谢促进内皮细胞增殖改善糖尿病血管新生障碍的研究

Recent clinical studies reported that endothelial glutamine (Gln) metabolism is associated with cardiovascular risk in diabetes but the underlying mechanisms are unknown. Our preliminary data showed that Gln dose-dependently promoted cell proliferation and endothelial-specific glutaminase (GLS) knockout mice showed reduced retina vascular growth, indicating an important role of Gln metabolism in endothelial proliferation and angiogenesis. Impaired angiogenesis is one of the pathological features of diabetic myocardial infarction with poor prognosis and difficult wound healing. Our further investigation showed high fat and high glucose induced decreased GLS expression in endothelial cell, suggesting a different Gln metabolism in diabetic endothelial cells. Therefore, this project is designed to clarify the metabolic process of Gln in endothelial cells and its significance on proliferation, the change of endothelial Gln metabolism in diabetes and its effects on angiogenesis by using isotope tracer labelling, GC-MS and endothelial specific GLS knockout mice, which may provide new strategy or potential targets for diabetes-related angiogenesis impairment.

血管新生障碍是导致糖尿病心梗预后不良和伤口愈合困难的主要原因之一，而内皮细胞增殖和迁移是血管新生过程中的关键环节。我们前期研究发现，谷氨酰胺（Gln）可剂量依赖性地促进血管内皮细胞的增殖；而内皮特异性敲除Gln分解的关键酶—谷氨酰胺酶（GLS），可显著抑制小鼠视网膜血管新生，提示Gln代谢在内皮细胞增殖和血管新生中具有重要作用。新近临床研究发现，内皮细胞Gln代谢与糖尿病患者心血管事件风险性相关；而我们的预实验表明，高脂高糖可诱导内皮细胞GLS表达下降，提示糖尿病状态下内皮细胞Gln代谢可能发生变化，但这些变化是否可导致糖尿病患者易患心梗及心梗预后不良还不清楚。本课题拟进一步明确Gln代谢对内皮细胞增殖和迁移功能的影响及机制，阐明糖尿病状态下内皮细胞Gln代谢的变化及其与血管新生障碍的关系，为从内皮细胞代谢角度调控血管新生功能提供新的认识，并为促进糖尿病心梗预后和伤口愈合提供新的治疗策略。

血管新生障碍是导致糖尿病心梗预后不良和伤口愈合困难的主要原因之一，而内皮细胞增殖和迁移是血管新生过程中的关键环节。我们前期研究发现，谷氨酰胺（Gln）代谢对内皮细胞增殖至关重要。本项目主要发现有：①糖尿病状态下内皮细胞Gln分解的关键酶—谷氨酰胺酶（GLS）表达下降且活性降低，导致Gln代谢受抑制、内皮细胞增殖能力降低和血管新生障碍；而丹酚酸B（SalB）可增加内皮细胞GLS表达和活性，改善糖尿病小鼠血管内皮细胞Gln代谢。给予糖尿病小鼠SalB或者补充Gln代谢产物α-KG均可促进心梗后血管新生，改善心脏功能，促进伤口愈合。利用内皮特异性GLS敲出小鼠或GLS特异性抑制剂BPTES进一步研究发现，抑制GLS的表达或活性均可有效阻断SalB的促血管新生和促伤口愈合作用，但对α-KG的上述有益作用则无影响。②SalB还可通过RagD/mTORC1通路调节缺血心脏巨噬细胞的代谢和表型，减轻巨噬细胞介导的炎症反应，进一步改善缺血后心脏功能（JCI insight 2019；Eur J Pharmacol. 2020）。这些结果深入认识了内皮细胞代谢在糖尿病血管新生功能中的作用，为我国传统中药SalB用于糖尿病患者的缺血性心脏病治疗提供了新认识和新依据。③在本课题的资助下，我们还根据实验中的偶然发现调整了研究计划，发现长期模拟失重可导致大鼠心肌葡萄糖摄取和氧化磷酸化减少，同时Gln代谢关键酶GLUD-1的表达显著降低，导致心肌组织中Gln和Glu堆积而α-KG显著减少。时间限制性进食可通过调节模拟失重大鼠心脏FGF21信号促进心肌细胞葡萄糖和Gln代谢、改善大鼠心脏功能（FASEB J. 2020）。上述研究工作首次揭示了特殊环境下心脏葡萄糖和Gln代谢的变化，从饮食干预角度为我国航天员长期在轨飞行提供了新的心脏保护策略。