IF=35.6丨心脏缺血/再灌注损伤防治的新靶点: L-PGDS

2025年5月21日，北京大学张岩/肖瑞平研究团队在《Circulation》（IF=35.6）上发表了题为“Intracellular L-PGDS-derived 15d-PGJ2 inhibits CaMKII through lipoxidation to alleviate cardiac ischemia/reperfusion injury”的研究论文。该研究揭示了心肌缺血/再灌注（ischemia/reperfusion，I/R）损伤过程中心肌细胞死亡和心脏损伤的新机制，为心血管疾病的机制研究与临床干预提供了新的思路。值得注意的是，在本研究中，作者使用汉恒生物提供的AAV9-cTNT-L-PGDS腺相关病毒，成功在小鼠心脏中特异性过表达L-PGDS。

缺血性心脏病是全球范围内发病率和死亡率最高的疾病之一，对公共健康构成重大威胁。再灌注治疗是目前心肌梗死的标准临床策略，然而该治疗方式可能诱发缺血/再灌注（I/R）损伤，导致额外的心肌细胞死亡和不可逆的心肌损伤，最终进展为心力衰竭。花生四烯酸（Arachidonic acid, AA）是一种广泛存在于体内的多不饱和脂肪酸。已有研究表明，AA及其代谢产物在炎症、氧化应激和细胞死亡等多种生理与病理过程中发挥关键作用，并与包括心血管疾病在内的多种疾病密切相关。然而，AA代谢酶在心脏I/R损伤中的具体作用机制尚未完全阐明。

在该研究中，作者通过分析心肌梗死后的小鼠心脏组织及细胞模型，发现脂质运载蛋白型前列腺素D2合成酶（L-PGDS）及其产物15-二聚体前列腺素J2（15d-PGJ2）在I/R损伤后显著降低，而这一变化与心脏功能障碍和细胞死亡密切相关。进一步机制研究表明，15d-PGJ2通过与Ca/钙调蛋白依赖性激酶II (Ca2+/calmodulin-dependent protein kinase II, CaMKII)结合并诱导其C495位点发生脂氧化修饰，从而抑制其活性和磷酸化水平，进而减轻I/R损伤引起的心肌细胞死亡和心脏损伤。此外，研究还发现， L-PGDS过表达或外源性给予15d-PGJ2治疗能够有效改善心脏功能，减少细胞死亡，并减轻DNA损伤。

图1. L-PGDS/15d-PGJ2/CaMKII信号通路在I/R损伤中的保护机制图

下面，我们一起来了解具体的研究内容：

研究成果

1.L-PGDS 在I/R损伤中表达下调

作者通过分析小鼠I/R损伤模型心脏组织的转录组测序数据，对AA代谢通路相关基因的表达谱进行筛选。结果显示，编码L-PGDS的基因Ptgds在I/R损伤4 h和24 h的心脏组织中显著下调。随后，作者在体内和体外多个细胞模型中验证这一结果：L-PGDS在I/R损伤后不同灌注时长（4 h， 24 h，2 w）的小鼠心脏组织中的表达均下降；同时，在原代新生大鼠心室肌细胞(NRVMs)、成年大鼠心肌细胞(ARVMs)、人胚胎干细胞来源的心肌细胞(ES-HCMs)进行缺氧/复氧（hypoxia/reoxygenation, H/R）处理（模拟体内I/R损伤）后，L-PGDS的表达亦均下调。这些结果表明，I/R损伤诱导的L-PGDS下调主要源于心肌细胞的变化。

图2. L-PGDS在I/R损伤心脏中表达下调

2. L-PGDS是心肌细胞抵抗H/R诱导细胞死亡所必需的关键因子

为明确L-PGDS在I/R损伤中的功能，作者构建了Ad-L-PGDS腺病毒，在NRVMs、ARVMs和ES-HCMs中过表达L-PGDS后进行H/R处理。结果显示，在这些细胞中过表达L-PGDS可显著降低细胞损伤标志物-乳酸脱氢酶（LDH）的水平，并抑制细胞凋亡关键指标Caspase 3/7的活性，提示L-PGDS对心肌细胞具有明显的保护作用；相反，敲低L-PGDS则增强细胞对H/R的敏感性，加剧损伤程度。这些结果表明，L-PGDS是心肌细胞抵抗H/R诱导细胞死亡的关键保护因子。

图3. L-PGDS是心肌细胞抵抗H/R诱导细胞死亡所必需的关键因子

3. 上调L-PGDS可改善I/R诱导的心脏损伤、心肌重构和心力衰竭

为了在体内验证L-PGDS在I/R损伤中的功能，作者利用腺相关病毒9型(AAV9)结合心脏特异性肌钙蛋白T (cTNT)启动子，构建了心肌细胞特异性过表达L-PGDS的转导系统(AAV9-cTNT-L-PGDS)。在正常生理状态下，AAV-L-PGDS注射组与AAV-null对照组相比，心脏形态、心功能及心肌细胞存活率均无显著差异，表明L-PGDS过表达在体内具有良好的安全性。在小鼠急性心脏I/R损伤模型（30 min缺血/24 h再灌注）中，L-PGDS过表达显著减小心肌梗死面积，减少心肌细胞凋亡和DNA损伤，有效缓解了心肌细胞死亡。在慢性心脏I/R损伤模型（30 min缺血/4 w再灌注）中，L-PGDS过表达同样改善心脏收缩功能(如左室射血分数)，减轻心肌纤维化，抑制心室重构。上述结果表明，心肌细胞中L-PGDS的上调在心脏I/R损伤中发挥核心保护作用。

图4. L-PGDS上调减轻I/R导致的心肌损伤、心脏重构及心衰

4. I/R通过降低15d-PGJ2水平诱发心肌损伤

为了探究L-PGDS介导的心脏保护机制，作者进一步研究了其代谢产物在I/R损伤中的作用。前列腺素合成起始于磷脂酶A2（PLA2）从细胞膜磷脂中AA，随后AA经环氧合酶（COX）催化生成PGH2。L-PGDS作为COX下游的关键酶，进一步将PGH2转化为PGD2，后者通过自发脱水反应依次生成PGJ2和稳定的15d-PGJ2。利用液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）对I/R小鼠血清中COX通路的主代谢物分析，在4 h和24 h再灌注后，只有15d-PGJ2水平显著降低，这与心脏组织中L-PGDS的变化趋势一致。ELISA检测进一步证实，I/R损伤后小鼠缺血心肌组织和血清中的15d-PGJ2水平均下降。此外，在心肌梗死患者PCI术（经皮冠状动脉介入治疗）后，血浆中15d-PGJ2水平也显著下降。体外实验表明，补充15d-PGJ2可显著减轻H/R诱导的NRVMs、ARVMs和ES-HCMs损伤。体内实验中，再灌注前给予低剂量15d-PGJ2也有效减少了心肌梗死面积、细胞凋亡和DNA损伤。综上，I/R损伤通过下调L-PGDS减少15d-PGJ2生成，削弱其对心肌的保护作用，最终导致心肌细胞死亡；补充15d-PGJ2可逆转这一过程，为临床干预提供了新策略。

图5. I/R损伤显著降低15d-PGJ2水平

5.15d-PGJ2是内源性CaMKII抑制剂

接着，作者利用生物素标记的15d-PGJ2进行蛋白质组学分析，发现CaMKII是15d-PGJ2的直接作用靶点。功能实验显示，15d-PGJ2可以剂量依赖方式抑制CaMKII-δ9的激酶活性，且对其他亚型(α、β、γ)选择性较低。并且，给予15d-PGJ2可显著减少CaMKII活化及其介导的心肌细胞死亡。总之，这些结果表明15d-PGJ2作为内源性抑制剂直接与CaMKII结合。

图6. 15d-PGJ2是内源性CaMKII抑制剂

6.L-PGDS/15d-PGJ2信号轴抑制I/R诱导的CaMKII激活

接下来，作者研究了L-PGDS/15d-PGJ2信号轴对I/R损伤后CaMKII磷酸化的调控作用。结果显示，15d-PGJ2显著抑制I/R损伤诱导的CaMKII的磷酸化。且这一作用不依赖于其已知受体(PPARγ或DP2)，提示15d-PGJ2可能通过直接机制发挥功能。体内与体外实验均显示，L-PGDS过表达能够提高15d-PGJ2水平，并显著降低CaMKII的磷酸化水平；相反，敲低L-PGDS则加重CaMKII的磷酸化。这些结果表明，15d-PGJ2通过不依赖受体的方式抑制CaMKII磷酸化，进而发挥心脏保护作用。

图7. L-PGDS/15d-PGJ2信号轴抑制I/R诱导的CaMKII激活

7.15d-PGJ2通过诱导CaMKII-δ9 C495位点脂氧化抑制其激活

为深入解析15d-PGJ2抑制CaMKII的分子机制，作者分别采用生物素抗体和CaMKII抗体进行pull-down实验，发现15d-PGJ2以剂量依赖性方式与CaMKII结合。之后，利用质谱分析发现，15d-PGJ2可通过脂氧化方式修饰CaMKII-δ9的C495位点。该位点位于CaMKII的聚合结构域，是其形成十二聚体结构并实现活化所必需。突变该位点后，15d-PGJ2不能与CaMKII结合，失去了抑制CaMKII活性的能力，证实该位点是其关键作用位点。进一步实验表明，CaMKII-δ9 C495位点的脂氧化修饰通过破坏其全酶组装来抑制激酶活性。

图8. 15d-PGJ2通过诱导CaMKII-δ9 C495位点脂氧化抑制其激活

总结

综上所述，在正常状态下，L-PGDS生成的15d-PGJ2通过脂氧化修饰抑制CaMKII活化，维持心肌细胞稳定存活；而在I/R损伤时，L-PGDS表达下调导致15d-PGJ2生成减少，CaMKII过度激活，最终引发心肌细胞死亡，加重心脏损伤。