今天给大家解读一篇3月发表在《iScience》上的题目为“Alpha-ketoglutarate alleviates acute pancreatitis by restoring energy metabolism.”的文章。本研究首先通过临床样本代谢组学分析，锁定AKG为AP特异性且与严重程度相关的代谢标志物。随后在SAP小鼠模型中，验证口服AKG的干预效果，并从组织病理、炎症水平、细胞死亡、代谢重编程、线粒体功能和关键信号通路等多层面，揭示了AKG通过恢复能量代谢和线粒体功能发挥保护作用的机制。（请持续关注我们，每天为您解读最新见刊的文献!）想薅生信资料羊毛？直接在对话框回复 “资料”，免费领取干货大礼包！包括数据集、绘图代码、图表复现、思路总结、参考文献……0代码！鼠标点点点即可轻松完成5-10分生信SCI全文复现！
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题目：《α-酮戊二酸通过恢复能量代谢缓解急性胰腺炎》Alpha-ketoglutarate alleviates acute pancreatitis by restoring energy metabolism
发表期刊：iScience
影响因子：4.1
研究背景：
急性胰腺炎（AP）是一种常见且可能危及生命的胰腺外分泌炎症性疾病，全球发病率上升。约20%的病例会发展为重症急性胰腺炎（SAP），当其并发器官衰竭和感染性坏死时，死亡率超过30%。目前的临床治疗仅限于液体复苏和营养支持等支持性措施，缺乏能够阻止其病理进展的特异性疗法。AP发病始于消化酶的提前激活，并触发线粒体功能障碍等有害反应，导致细胞能量危机。因此，调节胰腺能量代谢是一个有前景的治疗方向。
研究思路：
- 临床发现阶段
收集AP、AC及NC受试者血清进行靶向代谢组学分析，通过对比筛选AP特异性代谢物，并分析其与临床指标的相关性及动态变化，锁定关键代谢物AKG。 - 实验验证阶段
建立SAP小鼠模型，设置对照组、AKG处理组、SAP模型组和SAP+AKG干预组。通过口服补充AKG，评估其对胰腺及肺、肾等多器官病理损伤、炎症指标和细胞死亡的影响。 - 机制探索阶段
对小鼠胰腺组织进行代谢组学分析，观察AKG对能量代谢（特别是三羧酸循环）的重编程作用。通过透射电镜、ATP检测、mtDNA拷贝数测定、线粒体呼吸链蛋白及AMPK/Nrf2信号通路蛋白的检测，阐明AKG改善线粒体功能和激活保护性信号通路的具体机制。
研究亮点：
-
AKG是急性胰腺炎的特异性代谢标志物。 -
AKG能减轻重症急性胰腺炎引起的胰腺及多器官损伤。 -
AKG可恢复线粒体动态平衡和细胞能量稳态。 -
AKG通过AMPK和Nrf2信号通路发挥保护作用。
研究结果：
- 代谢组学发现
与NC和AC相比，AP患者血清中存在76种特异性代谢物，其中羧酸类占19种。AKG作为三羧酸循环核心中间体，在AP组中显著升高，且其水平在住院期间随病情好转而下降。AKG水平与白细胞计数和淀粉酶水平呈强正相关。 - AKG的治疗效果
- 减轻胰腺损伤
在SAP小鼠中，AKG治疗显著改善了胰腺的大体坏死、水肿和出血，降低了血清淀粉酶、脂肪酶及炎症因子（IL-1β, IL-6, TNF-α）水平。 - 减少细胞死亡
AKG干预显著降低了SAP小鼠胰腺组织中TUNEL阳性细胞和cleaved caspase-3的表达。 - 保护多器官
AKG预处理减轻了SAP引起的胰腺、肺和肾的组织病理损伤，并减少了这些器官中的髓过氧化物酶阳性细胞浸润。 - 作用机制
- 恢复能量代谢
胰腺组织代谢组学显示，SAP导致三羧酸循环代谢重编程，AKG治疗可重新平衡该循环代谢。 - 改善线粒体功能
AKG干预显著改善了SAP小鼠胰腺线粒体的肿胀和嵴断裂等超微结构损伤，提高了ATP水平和mtDNA拷贝数，并恢复了线粒体呼吸链复合体蛋白的表达。 - 激活保护性通路
AKG治疗逆转了SAP引起的Nrf2抗氧化通路蛋白（Nrf2, KEAP1, SOD1, SOD2, HO-1）表达下降，并恢复了AMPK的磷酸化水平。
研究总结：
- 结论
代谢谱分析揭示了AP患者体内特异性表达的代谢物，尤其是涉及AKG的代谢途径。外源性补充AKG对SAP及其相关的多器官损伤具有显著保护作用。其潜在的保护机制涉及纠正线粒体功能障碍、恢复AMPK能量感应器活性和增强Nrf2介导的细胞抗氧化防御。这些发现为理解AP发病机制和开发针对细胞能量代谢及线粒体功能的新治疗策略提供了新的代谢视角。 - 讨论与局限性
AKG在多种疾病中具有抗炎、抗氧化和免疫调节功能。本研究揭示了其在AP中与恢复线粒体稳态和Nrf2抗氧化通路相关的保护作用，并提示AMPK通路可能参与其中。但研究存在局限性：首先，代谢组学分析的临床参与者数量相对较少；其次，AKG的保护作用和机制主要在动物模型中得到验证。AKG在AP患者中的确切疗效、最佳剂量和长期安全性需要在未来的大规模临床试验中加以确认。
结果译文：
1.代谢组学分析鉴定AP特异性代谢特征
2.AKG是AP严重程度的特定代谢标志物
为了验证AKG在AP发病机制中的作用，我们建立了蛙皮素联合LPS诱导的SAP小鼠模型（图2A）。SAP小鼠表现出明显的胰腺损伤，血清淀粉酶和脂肪酶水平显著升高，以及组织病理学改变，如腺泡细胞坏死、炎症浸润和水肿（图2B-2E）。值得注意的是，与人类观察结果一致，SAP小鼠的血清和胰腺组织中AKG水平均显著升高（图2F和2G）。此外，我们还评估了AKG在疾病严重程度中的潜在相关性。血清AKG水平与胰腺损伤的组织学评分以及血清淀粉酶和脂肪酶水平呈正相关（图2H-2J）。综上所述，这些数据表明AKG是AP严重程度的一个特异性代谢标志物，并在小鼠SAP模型中得到了重现。
3.AKG补充减轻SAP小鼠的胰腺损伤和全身炎症
接下来，我们通过在造模前7天开始口服AKG（0.5%溶于饮用水中）来评估外源性AKG在SAP中的治疗潜力（图3A）。与SAP组相比，AKG预处理显著改善了胰腺大体形态，表现为水肿和出血坏死减少（图3B）。此外，AKG预处理显著降低了血清淀粉酶和脂肪酶水平（图3C和3D）。AKG还显著降低了SAP诱导的血清促炎细胞因子IL-1β、IL-6和TNF-α的升高（图3E-3G）。此外，在SAP+AKG组中，血清和胰腺组织中的AKG水平均升高（图3H和3I）。这些结果表明，外源性AKG补充可减轻SAP小鼠的胰腺损伤和全身炎症反应。
4.AKG减轻SAP小鼠胰腺腺泡细胞死亡
为了进一步阐明AKG的保护作用，我们评估了胰腺细胞死亡情况。TUNEL染色显示，与NC组相比，SAP组细胞死亡显著增加，而AKG预处理则显著减少了细胞死亡数量（图4A和4B）。同样，cleaved caspase-3免疫组化染色显示，SAP组凋亡通路被激活，而AKG处理则有效抑制了cleaved caspase-3的表达（图4C和4D）。这些结果表明，AKG可通过抑制细胞凋亡来减轻SAP诱导的胰腺损伤。
5.AKG减轻SAP小鼠多器官组织病理损伤
6.AKG改变SAP诱导的代谢重编程
为了阐明AKG减轻SAP的潜在机制，我们对胰腺进行了靶向代谢组学分析（表S6）。PCA显示SAP组与NC组之间存在明显分离，与AP患者的代谢谱一致（图6A）。AKG处理可能引起代谢改变，如PCA表现所示。我们观察到使用方差分析有212种代谢物发生显著改变，并以热图展示（图6B）。KEGG通路富集分析显示，氨基酸和能量代谢发生了显著改变（图6C）。涉及AKG的代谢途径如图6D所示。对TCA循环代谢物的分析显示，SAP组中存在复杂的代谢重编程。与NC组相比，SAP组中磷酸烯醇式丙酮酸和丙酮酸显著下调，而柠檬酸、乌头酸、AKG、琥珀酸和天冬氨酸显著上调。这些SAP诱导的表达谱在AKG处理后发生显著改变，表明AKG补充可以重新平衡TCA循环代谢，并为SAP干预提供治疗潜力。这些来自胰腺组织的代谢组学数据表明，AKG的保护作用与代谢重编程密切相关，特别是在TCA循环中。
7.AKG改善SAP诱导的线粒体功能障碍
我们研究了在AKG处理下（其可激活TCA循环）SAP中线粒体的性能。在超微结构水平上，透射电子显微镜分析显示SAP组存在严重的线粒体损伤，其特征为嵴肿胀和碎裂，而AKG干预显著改善了线粒体形态（图7A）。然后，使用已建立的评分系统对线粒体损伤进行量化。结果证实了AKG对线粒体结构的保护作用（图7B）。此外，SAP组的ATP水平显著低于对照组，而在AKG处理后升高（图7C）。线粒体DNA拷贝数作为线粒体生物发生和完整性的关键指标，在SAP组中也显著降低，而AKG处理则有效恢复了其水平（图7D）。我们测量了线粒体呼吸链复合体I、II、III、IV和V的关键蛋白表达。它们在SAP组中显著下调，但AKG处理有效恢复了它们的表达水平（图7E和7F）。AKG显著修复了SAP诱导的线粒体功能障碍。
8.AKG通过AMPK通路改善SAP
鉴于SAP与氧化应激失衡密切相关，我们研究了内源性抗氧化防御系统中的蛋白表达变化。参与Nrf2抗氧化通路的蛋白，包括Nrf2、KEAP1、SOD1、SOD2和HO-1，在SAP中检测时均显著降低（图8A和8B）。AKG处理显著减轻了这种抑制，有效恢复了其水平（图8A和8B）。基于先前的结果，与能量和抗氧化相关的AMPK通路可能在AKG治疗中发挥潜在作用。然后，我们通过蛋白质印迹和免疫荧光检测了AMPK及其磷酸化水平。与NC组相比，SAP组中AMPK去磷酸化，而AKG处理则刺激了其磷酸化。观察到AKG处理与AMPK磷酸化水平的恢复相关（图8C-8H）。
更多结果和补充图表：doi： 10.1016/j.isci.2026.115357
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