Nat Commun 上海大学呼庆勋揭示血管衰老过程中内皮细胞NADPH时空代谢特征及其调节作用

心血管疾病是全球主要死亡原因，其死亡率随年龄增长而上升。与年龄相关的心血管疾病主要特征之一是血管功能或表型的改变。血管普遍存在于机体每个组织，具有影响大多数器官的独特能力，所以血管老化是导致机体衰老的重要上游因素。血管内皮是覆盖在血管腔内壁的单层细胞，在维持血管稳态中起着重要作用。大量研究表明，血管内皮细胞的衰老导致心血管疾病的起始和进展。因此，深入理解血管内皮衰老的分子机制对于应对与年龄相关的心血管疾病至关重要。

2025年11月3日，上海大学呼庆勋在Nature Communications上发表了题为“Elevating cytosolic NADPH metabolism in endothelial cells ameliorates vascular aging”的研究论文。该研究利用一种高性能、遗传编码的NADPH荧光探针，发现了在内皮细胞衰老过程中胞浆NADPH含量升高，而线粒体NADPH不变。浓度降低的一氧化氮(NO)促进G6PD在C385位点的去S-亚硝基化，并增加其活性，从而导致胞浆NADPH水平升高。G6PD过表达显著提高了NADPH水平，抑制了谷胱甘肽氧化和HDAC3的活性，并缓解内皮细胞衰老和血管衰老。基于荧光探针技术建立高通量化合物快速筛选系统，发现叶酸通过MTHFD1显著提高了NADPH含量，并增强了自然衰老小鼠的血管活性。上述结果突显了内皮NADPH代谢在血管衰老中的关键调节作用。 

NADPH是内皮细胞中重要的辅因子，广泛参与氧化还原反应和合成代谢。最近研究表明，胞浆和线粒体NADPH通量是独立调节的，并且亚细胞结构NADPH的下游调控功能各异(PMID: 36973440)。然而，由于传统检测方法不足，以往研究多聚焦于整体细胞的NADPH变化，难以精准捕捉亚细胞层面的代谢动态。本研究利用一种高灵敏、可亚细胞结构定位的NADPH荧光探针(iNap)(PMID: 28581494)应用于内皮细胞，实现对胞浆和线粒体内NADPH的实时监测。研究发现，在多种内皮衰老模型中，胞浆NADPH水平显著升高，而线粒体NADPH则无此变化，揭示了NADPH代谢在衰老过程中的区室特异性。此外，该研究联合应用遗传编码的NAD⁺/NADH比率探针(SoNar, PMID：25955212, 34901920)和NADH探针(Frex, PMID: 21982715)，细致刻画了内皮衰老中亚细胞结构NAD(H)代谢规律。 

图1. iNap在内皮细胞胞浆和线粒体定位(a-b)及衰老的内皮亚细胞结构NADPH含量变化(c-d)

机制上，研究发现衰老相关的NO水平下降，导致了G6PD在第385位半胱氨酸发生去S-亚硝基化。这一翻译后修饰变化增强了G6PD的二聚化、稳定性及酶活性，从而驱动了胞浆NADPH的生成。为明确胞质NADPH升高的功能意义，该研究通过基因操控调控内皮细胞中G6PD的表达水平。结果显示，过表达G6PD可显著提升胞质NADPH水平，通过增强谷胱甘肽还原系统活性和抑制HDAC3活性，有效降低内皮细胞衰老标志物表达及衰老相关分泌表型(SASP)产生，改善血管舒张功能并减轻血管纤维化。反之，敲低G6PD则会降低胞质NADPH水平，加剧内皮细胞衰老和血管老化。因此，胞浆NADPH升高发挥缓解细胞衰老的代偿性保护作用。重要的是，利用基因编码的代谢调节工具酶(TpNOX)直接靶向调节亚细胞结构NADPH含量，证实NADPH是G6PD发挥血管保护作用的介导分子。

此外，本研究基于NADPH探针建立了高通量化合物荧光筛选分析系统，一秒即可获取一个化合物对NADPH代谢的影响分析。通过对1419种FDA批准药物进行筛选，成功获得叶酸等7种可显著提升胞质NADPH水平的药物。机制研究发现，叶酸可通过一碳代谢通路中的关键酶—亚甲基四氢叶酸脱氢酶(MTHFD1)促进NADPH生成。在血管衰老小鼠模型中，叶酸干预可显著提升血管组织NADPH水平，改善血管内皮功能，降低血压并减轻血管纤维化，同时抑制衰老标志物和炎症因子表达。 

图2. 基于iNap的高通量化合物荧光筛选分析系统(a)及其应用(b)

综上，该研究通过遗传编码荧光探针技术揭示了内皮细胞衰老过程中NADPH时空代谢规律，阐明了G6PD去S-亚硝基化修饰调控NADPH生成的分子机制，并建立了基于荧光探针的高通量药物筛选方法，证实叶酸可通过MTHFD1/NADPH通路缓解血管衰老。这一发现深化了对血管内皮衰老代谢调控机制的理解，也为血管衰老相关疾病的防治提供了新靶点和潜在临床药物。 

图3. 内皮细胞衰老中NADPH代谢机制模式图(a-b)

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-025-64652-z