英文标题：ACADM-mediated fatty acid β-oxidation pathway in atherosclerosis and abdominal aortic aneurysm

发表期刊：European Heart Journal

影响因子：35.7

合作单位：上海交通大学医学院附属仁济医院

百趣提供服务：新一代代谢组学NGM 2 Pro、定量脂质组学

研究背景

血管是人体的“生命管道”，而动脉粥样硬化(AS)和腹主动脉瘤(AAA)，是威胁血管健康的两大“隐形杀手”。上了年纪、长期抽烟、血压偏高、血脂超标，都会大幅提升患病风险，这也是很多中老年人同时面临两种血管问题的原因。在大众认知里，只要是血脂高引发的血管病，靠降脂就能解决，但临床现实并非如此：降脂药能有效稳住血管斑块、延缓AS，却很难阻止AAA不断扩张，甚至部分患者接受调脂治疗后病情仍持续进展。换言之，AS的调脂治疗方案（如服用他汀类等调脂药物）在AAA的干预中，难以延缓病情进展且临床试验结果不佳，所以其治疗效果至今存在巨大争议。这也说明，二者背后的脂质运转逻辑完全不同，而由此产生的临床矛盾也导致两类疾病脂质代谢的差异化机制始终未能阐明。现阶段，针对AS与AAA差异化脂质代谢特征、关键通路及作用机制的系统性研究仍较为匮乏。基于这一研究空白，本研究结合动物模型、临床人群队列，运用多组学技术解析二者的脂质代谢差异，挖掘核心调控通路，并构建机器学习预测模型，为两种血管疾病的鉴别诊断、机制阐释及精准靶向治疗提供理论支撑。

图形摘要

研究结果

01.AS与AAA小鼠模型的脂质代谢存在显著差异

为探究脂质代谢紊乱在AS与AAA发病过程中的差异化作用，研究首先构建了多种小鼠模型展开实验。结果显示，血浆总胆固醇、甘油三酯、低密度脂蛋白等血脂水平与AS进展呈显著正相关，但与AAA严重程度仅存在弱关联。进一步脂质组学分析（图1A-B）发现，AS组有328种脂质代谢物发生显著改变，AAA组则为115种（图1C）。其中，AS的差异脂质以甘油酯为主，占比达56.7%；AAA的差异脂质则以磷酸甘油酯居多，占比54.7%（图1D）。

在脂质亚类层面，AS以甘油三酯、胆固醇酯升高最为明显，AAA则以磷脂酰乙醇胺、磷脂酰胆碱上调为主要特征（图1E-H）。两组直接比对，筛选出40种差异脂质（图1I-J），其中AS小鼠体内甘油三酯、二酰甘油、游离脂肪酸与胆固醇酯水平显著高于AAA小鼠（图1K-L）。综上所述，AS以中性脂质蓄积为核心特征，AAA则主要表现为磷酸甘油酯含量升高，二者脂质代谢模式存在显著区别。

图1.AS与AAA小鼠模型中的脂质代谢存在差异

02.AS与AAA患者的脂质代谢差异特征

基于上述动物实验结果，研究随后又选取上海仁济医院363名受试者，开展了人体样本验证工作。借助血浆脂质组学，总计705种脂质代谢物被鉴定；相较于健康人群，冠心病组（CAD，代表AS病变）有313种脂质代谢物显著升高，AAA组则有174种出现上调（图2A）。在脂质类别上，CAD患者升高的代谢物中甘油脂类占比最大；AAA患者则是磷酸甘油酯类（图2B）。此外，脂质亚类结果也与动物实验高度一致：CAD患者中甘油三酯升高最为显著，其次是甘油二酯；AAA患者中磷脂酰胆碱升高最显著，其次是磷脂酰乙醇胺（图2C-F）。进一步比较两组患者样本，研究筛选出135种差异脂质代谢物（图2G-K）。其中，CAD组的甘油三酯、二酰甘油、胆固醇酯明显增多，AAA组则以磷脂酰胆碱、溶血磷脂酰乙醇胺等脂质升高为主，说明人体与小鼠模型的脂质代谢变化模式基本一致（图2L）。

此外，研究结合英国生物样本库近48万名受试者的长期随访数据，证实了甘油三酯、胆固醇、脂肪酸的升高会提升CAD发病风险，磷酸甘油酯则与AAA发病风险呈负相关。简言之，AS与AAA的脂质代谢特征确实存在显著差异。

图2.AS与AAA患者的脂质代谢存在差异

03.脂肪酸代谢差异是AS与AAA脂质代谢分化的核心机制

为阐明AS与AAA脂质代谢产生差异的内在机制，研究接着对两种模型小鼠的主动脉组织开展转录组测序。主成分分析显示，AS组与AAA组的基因表达谱存在明显区分（图3A）。相较于正常对照组，两种疾病模型均出现大量差异表达基因（图3B）。在基因功能富集上，AS和AAA的免疫、炎症相关通路均呈上调状态，但下调通路差异显著：AS以脂肪酸代谢通路抑制为主要特征，AAA则主要表现为细胞黏附、多细胞组织发育通路下调（图3C-D）。组间对比发现，脂肪酸代谢通路是AS中下调最显著的通路，而AAA的异常通路集中于细胞黏附、细胞外基质重塑与细胞迁移（图3E-G）。同时，血浆代谢组及多组动物模型重复实验均印证了脂肪酸代谢仅在AS中被抑制。聚焦脂肪酸代谢相关基因，脂肪酸β-氧化(FAO)通路被确认为AS中关键的受抑环节（图3H-J）。最终，蛋白互作分析锁定ACADM为核心基因，其编码的中链酰基辅酶A脱氢酶是FAO的关键酶（图3K）。与表型相符，AS小鼠主动脉中ACADM的基因与蛋白表达水平显著下降，而AAA模型中则无明显改变（图3L）。结合人类组织样本、公共数据库及巨噬细胞体外实验，该结果得到反复验证。因此，脂肪酸代谢，尤其是FAO通路，是造成两类疾病脂质代谢差异的核心通路，而ACADM在其中发挥关键调控作用。

图3.脂肪酸代谢通路是导致AS与AAA脂质代谢差异的首要异常脂质相关通路

04.靶向清除脂滴可减轻AS，但对AAA无效

FAO是脂肪酸分解代谢的主要通路，该通路功能异常时，脂滴的合成与分解动态平衡对其调控至关重要。对此，研究团队利用脂滴自噬衔接化合物LDATTEC开展了干预实验，该物质可将脂滴与自噬体结合，进而降解脂滴。细胞实验证实，LDATTEC能够通过激活自噬通路，有效减少巨噬细胞内的脂滴蓄积（图4A-D）。结合动物模型，LDATTEC展现出明确的治疗效果：在AS小鼠体内，其显著减轻了AS病变（图4E-F），并降低了斑块面积及斑块内脂质含量（图4G-I）；同时减少了颈动脉斑块负荷和脂质沉积，降低了斑块破裂发生率（图4J-O）。然而，在AAA小鼠中，LDATTEC虽能有效清除脂滴，但未能改善AAA形成：AAA发生率、主动脉最大直径及主动脉重量/体重比均无显著变化（图4P-S）；微超声及组织学也显示仅脂质沉积减少，胶原含量不受影响。由此可见，LDATTEC虽能同时清除AS与AAA小鼠的脂滴，但仅能缓解AS的病理进展，对AAA无效，这也揭示了脂滴在两种疾病中的不同致病作用。

图4. LD-ATTEC治疗可减少小鼠脂滴并缓解AS

05.靶向清除脂滴可恢复AS中的脂肪酸代谢，但对AAA无效

为探究脂滴在AS与AAA中发挥不同病理作用的分子机制，转录组与代谢组学被用于解析LDATTEC干预对两种疾病模型的影响（图5A）。两组模型的差异表达基因结果如图5B、5C所示，通过筛选交集基因，锁定了LDATTEC的调控靶点（图5D）。基因功能富集分析表明，LDATTEC干预可显著上调AS小鼠体内脂肪酸代谢通路，同时抑制炎症、免疫相关通路（图5E）；但该化合物并未引起AAA小鼠脂质代谢通路的明显改变（图5F）。通路分析证实，FAO通路在干预后的AS模型中显著富集（图5G），脂肪酸代谢相关基因也仅在AS组出现表达上调（图5H）。类似地，LDATTEC能明显提升AS小鼠主动脉内ACADM基因与蛋白的表达水平，而AAA模型中未观察到这一变化（图5I-J）。简单来讲，LDATTEC可有效修复AS小鼠受损的脂肪酸代谢与β-氧化通路，却也无法改变AAA小鼠的脂质代谢状态。

图5.LD-ATTEC处理清除脂滴可诱导AS与AAA小鼠产生不同的转录组变化

06.髓系特异性ACADM过表达抑制脂滴形成、减轻AS，但对AAA无效

ACADM是调控线粒体FAO的关键酶，但其在AS与AAA发病中的作用尚未明确。结合前期研究结果，研究欲进一步探究该基因功能。首先，利用慢病毒载体在骨髓来源巨噬细胞中实现ACADM过表达（图6A），证实该操作可明显抑制氧化低密度脂蛋白诱导的细胞脂滴堆积（图6B）。随后，研究构建ACADM过表达小鼠，并建立AS、AAA动物模型（图6C）。后经体内实验发现，ACADM过表达能够有效缩减AS病灶面积，发挥显著保护作用（图6D-H）；但该基因上调却无法延缓AAA的病变进展（图6I-P）。同时，英国生物样本库的人类全外显子测序数据也印证了ACADM功能缺失突变会加重AS病变负荷。

图6.髓系特异性ACADM过表达通过抑制脂滴形成缓解AS，但对AAA无效

此外，敲低ACADM会造成细胞内游离脂肪酸等脂毒性代谢物蓄积、辅酶水平下降，并伴随着线粒体呼吸功能减弱、膜电位紊乱、活性氧增多等异常（图7A-D）。若使用脂肪酸摄取抑制剂‘Etomoxir’干预，线粒体损伤则会得到有效修复（图7E-J）；反之，ACADM过表达则会降低脂毒性物质含量，线粒体恢复正常生理功能。

图7.ACADM缺陷通过诱导脂毒性代谢物积聚破坏BMDM中的线粒体功能

综上，ACADM主要通过减少脂毒性代谢物积累、维持线粒体稳态发挥生物学效应，且该基因对AS和AAA存在明显的作用差异。

07.基于脂质代谢特征的机器学习预测模型构建

根据前文可知，AS与AAA拥有截然不同的脂质代谢特征。由于两类疾病均具有高致命性，且现有生物标志物无法同时满足二者的筛查需求。对此，该研究基于脂质代谢特征，拟用机器学习算法构建疾病预测模型。

方法上，研究将受试者按照7:3的比例划分为训练集与验证集，结合t检验、LASSO回归等方法筛选特征脂质，分别构建出冠心病、AAA与健康人群的区分模型。最终，20种差异脂质被筛选，用以构建AS与AAA的鉴别模型，主要结果如下：①构建的逻辑回归模型在训练集(n=169)中的AUC为0.968，在验证集(n=73)中为0.841；②森林图显示，CAD患者中CE水平更高，而AAA患者中PC更高（图8A）；③列线图（图8B）和校准曲线（图8C）均表现良好；④四种模型在验证集中的AUC均超过0.8（图8D），其他评价指标详见图8E。最后，关键脂质浓度测定证实，CAD患者胆固醇酯浓度显著升高，而AAA患者磷脂酰胆碱浓度升高（图8F）。即是说，研究基于脂质代谢特征所创建的机器学习模型能够有效区分AS与AAA，具备着较高的临床转化价值。

图8.利用脂类特征建立区分CAD和AAA的机器学习模型

研究总结

本研究通过动物模型与临床队列的多组学分析，首次系统揭示了AS与AAA在脂质代谢上的本质差异：AS以中性脂（如甘油三酯、胆固醇酯）显著积聚为特征，而AAA则以磷酸甘油酯（如磷脂酰胆碱、磷脂酰乙醇胺）升高为主。机制研究表明，脂肪酸β-氧化通路尤其是关键酶Acadm在AS中显著下调，导致脂毒性代谢物堆积和线粒体功能障碍，而在AAA中无明显变化；靶向清除脂滴的LD-ATTEC策略或髓系特异性Acadm过表达均可有效缓解AS进展，但对AAA无效。此外，基于差异脂质代谢物构建的机器学习模型实现了高精度区分AS与AAA。这些发现不仅确立了AS与AAA在脂质代谢层面的“病种分离”，也为两种疾病的精准诊断和差异化治疗提供了全新靶点与策略。