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Circulation | 广东医科大学研究：BMP9通过促进心肌细胞线粒体生物能量学和改善淋巴引流对抗心肌梗死
Highlights
1. BMP9能够改善心肌梗死小鼠的心脏功能并减少心脏损伤。
2. 改善淋巴引流：BMP9通过改善淋巴系统排水功能，减轻心肌梗死后的心脏水肿。
3. BMP9通过增加DECR1表达，提升心肌细胞的线粒体能量代谢，保护心脏。
近日，“Circulation”（IF=35.5）上发表了一篇题为“Bone Morphogenetic Protein 9 Protects Against Myocardial Infarction by Improving Lymphatic Drainage Function and Triggering DECR1Mediated Mitochondrial Bioenergetics”的文章。这篇文章探讨了骨形态发生蛋白9（BMP9）在心肌梗死（MI）中的作用及其潜在机制。
研究背景介绍
骨形态发生蛋白9（BMP9）是TGF-β家族的成员，对多种生物学过程有影响，包括细胞分化、增殖和组织修复。在心肌梗死的背景下，BMP9显示出对心脏功能的保护作用。
心肌梗死（MI），通常由于冠状动脉血流受阻导致心肌缺血和坏死。心肌梗死是全球主要的死亡原因之一，因此理解其病理生理机制对于开发新的治疗方法至关重要。
淋巴引流功能是淋巴系统移除组织间液体和废物的方式，对于维持组织健康和免疫功能至关重要。
DECR1是一种位于线粒体内的酶，对于脂肪酸的β-氧化过程至关重要。β-氧化是细胞能量代谢的一个重要环节，特别是在心肌细胞中，由于心脏的高能量需求，DECR1的作用尤为重要。
研究思路分析
研究技术路线图
01BMP9与心肌梗死关联的基础研究
①在这项研究中，共纳入了367名参与者，包括133名MI合并冠心病(CHD)患者、117名仅有CHD的患者和117名健康对照组。研究发现，CHD患者的血清BMP9水平升高，而MI患者的水平更高，且BMP9水平与心脏功能指标呈负相关，与心脏损伤的生物标志物呈正相关。此外，BMP9是心力衰竭的独立预测因子。在MI小鼠模型中，BMP9在肝脏中的表达最高，在心脏中也有表达，且在MI后显著增加。表明，BMP9与心肌梗死密切相关，可能在心脏损伤过程中起重要作用。
②通过CRISPR/Cas9技术成功构建了BMP9基因敲除小鼠模型。结果显示，BMP9基因敲除小鼠在MI后存活率降低，心脏功能下降，心脏纤维化和心肌细胞凋亡增加。此外，研究还发现，肝脏来源的BMP9，而非心脏成纤维细胞来源的BMP9，对心肌梗死的保护作用至关重要。
③通过使用腺相关病毒（AAV）过表达BMP9的WT小鼠在冠状动脉结扎后，显示出比AAV-GFP对照组更高的存活率，并且循环BMP9水平升高。AAV-BMP9治疗显著改善了MI小鼠的心脏功能，减少了心脏纤维化面积和心肌细胞大小，并降低了心脏纤维化因子的表达和心肌细胞凋亡。表明补充BMP9可以保护心脏免受心肌梗死引起的心脏功能障碍和损伤。
02BMP9的心脏保护机制
①鉴于BMP9在炎症性肺损伤中表现出抗炎作用，还评估了BMP9在心肌梗死中心脏炎症的作用。研究发现，BMP9缺乏加剧了梗死边缘区域炎症细胞的浸润，表现为巨噬细胞和中性粒细胞的积聚增加。此外，BMP9敲除小鼠在心肌梗死时，心脏中IL-6、IL-1β和TNF-α的mRNA水平显著升高。值得注意的是，补充BMP9后，这些不利影响得到了显著缓解。
②研究证实了BMP9对维持淋巴管功能至关重要，BMP9 KO小鼠表现出淋巴管结构和排水功能障碍。BMP9的缺失加剧了心肌梗死小鼠的心脏水肿和功能障碍，而补充BMP9则通过改善淋巴引流功能。此外，BMP9对心脏的保护作用不依赖于淋巴管的生成，而是与改善淋巴引流功能直接相关。
③通过蛋白质组学分析揭示了BMP9在MI中的作用机制，发现BMP9的缺失会导致小鼠心脏组织中线粒体代谢通路的关键蛋白表达下降，特别是氧化磷酸化和柠檬酸循环相关蛋白。BMP9 KO小鼠在MI后表现出更严重的线粒体功能障碍，包括线粒体结构的破坏和能量代谢的下降。而通过AAV介导的BMP9治疗可以显著改善这些线粒体问题，减少心肌细胞凋亡，并提高细胞的氧气消耗率和ATP产生。表明，BMP9通过保护线粒体功能来减轻心肌梗死后的心脏损伤。
④研究发现DECR1在BMP9 KO小鼠心脏组织中的表达显著低于WT小鼠。免疫印迹分析也显示，MI小鼠心脏组织中DECR1的表达降低，并且在BMP9 KO小鼠中进一步减少，但可以通过AAV介导的BMP9治疗得到显著恢复。此外，MI患者心脏组织中DECR1的表达也显著降低。进一步的实验显示，DECR1主要定位在线粒体而非细胞核中，在MI小鼠心脏组织中线粒体DECR1的表达显著降低。
03BMP9心脏保护作用的分子机制
①研究发现DECR1是BMP9保护MI心脏功能的一个关键下游靶点。DECR1KO小鼠在心肌梗死后表现出更严重的心脏功能障碍和纤维化。DECR1的过表达能够改善线粒体功能，减少心肌细胞凋亡，并在MI小鼠模型中显示出保护心脏的作用。此外，BMP9对心脏的保护作用在没有DECR1的情况下显著减弱，说明DECR1对于BMP9的心脏保护作用至关重要。
②通过gain-of-function探讨了DECR1在BMP9对抗MI引起的心脏功能障碍和损伤中的保护作用。结果显示，无论是在野生型还是BMP9基因敲除小鼠中，AAV介导的DECR1过表达都能显著提升心脏功能指标、减少心脏纤维化和心肌细胞大小，并降低心肌细胞凋亡。此外，DECR1过表达还提高了心脏线粒体复合体I的水平和ATP产生，改善了线粒体功能。表明，DECR1的保护作用可能通过增强线粒体功能实现，且BMP9的缺失并不影响DECR1的这些有益作用。
③研究发现BMP9通过ALK1/Smad1/3信号通路促进DECR1的表达，进而对MI起保护作用。在MI小鼠模型中，BMP9诱导的ALK1和Smad1/3磷酸化增加，DECR1表达下降，心脏损伤加重。而通过AAV介导的BMP9治疗可以提高ALK1和p-Smad1水平，增加DECR1表达，改善心脏功能和减少损伤。
④此外，使用rhBMP9处理新生大鼠心室肌细胞(NRVMs)可以上调DECR1和ALK1的表达，并激活Smad1，改善低氧条件下的线粒体功能和细胞存活。这些效果可被ALK1拮抗剂ML347阻断。因此，BMP9-DECR1信号通路通过ALK1/Smad1途径对心肌梗死后的心脏功能有保护作用。
图1. BMP9表达在AMI患者中增加
图2. BMP9缺乏降低MI小鼠的左室功能并增加心脏纤维化、心肌细胞大小和凋亡
图3. AAV介导的BMP9治疗提高MI小鼠的左室功能并减少心脏纤维化、心肌细胞大小和凋亡
图4. 胸导管结扎加剧BMP9基因敲除小鼠的MI诱导的心脏功能障碍和纤维化
图5. BMP9促进线粒体生物能量学
图6. BMP9在心肌细胞的线粒体中促进DECR1表达，而不在细胞核中
图7. AAV介导的BMP9治疗通过DECR1对WT和BMP9基因敲除小鼠的MI
图8. BMP9通过激活ALK1/Smad1轴增加DECR1表达
结论与讨论
本研究发现BMP9通过改善淋巴引流功能和促进DECR1介导的线粒体生物能量学，对心肌梗死具有保护作用。BMP9的补充可以显著减轻心肌梗死后小鼠的心脏功能障碍和损伤，而BMP9的缺乏则加剧了这些不良影响。此外，DECR1的补充可以恢复BMP9缺失引起的心脏损伤，表明DECR1是BMP9保护作用的关键介质。
未来的研究还应探索BMP9在心肌梗死中上调的精确机制，以及BMP9-DECR1信号通路在改善线粒体功能方面的详细分子机制。此外，研究BMP9作为治疗靶点在临床上的应用前景，以及如何最有效地调节BMP9-DECR1轴以治疗心肌梗死和相关心脏疾病也是未来研究的重要方向。