棕色脂肪外泌體在2型糖尿病中的作用

阮曉劼

隨著現(xiàn)代社會的不斷進步,人們的生活水平也在不斷改善,然而因不良生活習慣引起的代謝性疾病急劇上升[1-2]。其中,2型糖尿病(T2DM)是全球危害最大的代謝性疾病之一,糖尿病的多種并發(fā)癥可以顯著增加患者的致殘和致死風險[3-4]。脂肪組織是調節(jié)系統(tǒng)能量代謝的重要器官,其代謝活動與T2DM的發(fā)展聯(lián)系緊密。脂肪組織主要分為白色脂肪組織(WAT)和棕色脂肪組織(BAT)[5]。BAT對體內葡萄糖穩(wěn)態(tài)具有重大影響,與其他代謝活躍的組織相比,BAT在激活后具有較高的葡萄糖攝取率,研究發(fā)現(xiàn),活化的BAT可以吸收和利用葡萄糖和脂質,從而改善β細胞功能,減少胰腺β細胞對胰島素分泌的需求[6]。外泌體是一種良好的載體,其攜帶的微小RNAs(microRNAs,miRNAs)、蛋白質、細胞因子等可以參與遠程調控和參與各種生物學過程[5-6]。近幾年,BAT分泌的外泌體已成為T2DM防治策略的重要研究內容,本文就棕色脂肪和棕色脂肪外泌體在T2DM防治中的作用研究進行綜述。

1 BAT應用于T2DM并發(fā)癥的研究

1.1 BAT和T2DM心血管疾病:糖尿病患病率的升高伴隨著血管疾病的增加。T2DM的微血管并發(fā)癥包括視網(wǎng)膜病變、腎病和神經(jīng)病變,大血管并發(fā)癥包括早期動脈粥樣硬化(AS),最終表現(xiàn)為心肌梗死、卒中和外周血管疾病[7]。T2DM患者AS出現(xiàn)更早,進展速度更快,病變更彌散、廣泛,易累及遠端血管,加速心腦血管疾病的進展,AS的預防及治療一直是T2DM患者臨床試驗、治療策略和臨床實踐指南的主要焦點[8]。目前,治療糖尿病并發(fā)AS主要采用降血糖、調血脂、降血壓、溶栓、抗凝等藥物或外科手術介入等對癥治療手段,但存在臨床療效差、產(chǎn)生藥物耐受及可能產(chǎn)生副作用的問題[9]。

通過大數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn),體內有明顯BAT或有BAT的T2DM患者的心臟代謝并發(fā)癥患病率明顯低于無明顯BAT的T2DM患者[9],其冠狀動脈疾病發(fā)病率、腦血管疾病發(fā)病率和充血性心力衰竭病發(fā)率都有明顯降低[10],患者血液中的血糖、甘油三酯和高密度脂蛋白值均有改善[10]。通過向高脂喂養(yǎng)的小鼠移植BAT,研究人員觀察到BAT對心肌梗死引起的葡萄糖耐受不良有保護作用,緩解T2DM心血管疾病的發(fā)展,同時左心室肥大癥狀減少[10]。通過冷刺激小鼠使其去甲狀腺素釋放,可以激活β3-腎上腺素能受體(β3-AR),從而提升小鼠BAT活性[11-12]。研究人員檢測到BAT的活性被冷激活后,小鼠體內低密度脂蛋白膽固醇受體活性恢復,血漿低密度脂蛋白和膽固醇水平降低,從而有效減少血脂斑塊的形成,以此減緩小鼠動脈粥樣硬化癥的病程發(fā)展[11]。因此,增加 BAT或激活BAT 被認為是T2DM發(fā)生心臟梗死的重要干預措施以及心臟重塑的治療手段。

1.2 BAT和T2DM腎病:糖尿病腎臟疾病(DKD)是T2DM最常見的并發(fā)癥,2020 年中華糖尿病學會調查顯示,我國大約30%～40%的糖尿病患者會發(fā)生DKD,DKD的發(fā)展快速,如不及時治療,腎臟病變將不可逆轉。然而,藥物治療效果欠佳,預后不良[13]。DKD顯著增加了T2DM患者死亡風險,因此,早預防、早診斷、早治療對延緩DKD進展尤為重要。

研究人員通過移植BAT干預T2DM小鼠后發(fā)現(xiàn),小鼠內源性BAT的活性和腎臟的下游信號通路AMPK-SIRT1-PGC1α被激活,從而抑制小鼠腎臟炎癥和氧化應激,改善T2DM小鼠出現(xiàn)的腎臟炎癥、纖維化及氧化應激的病理現(xiàn)象[14]。AMPK/PGC-1α信號通路被證實是調節(jié)線粒體功能、脂質代謝和細胞生長的關鍵機制,在T2DM的病理生理機制中起著至關重要的作用[15]。研究表明,高血糖可以通過直接抑制SIRT1降低PGC1α的信號傳導功能,從而引起腎臟損傷[16]。因此激活AMPK-SIRT1-PGC1α通路的治療方法被證實可以保護腎臟免受高血糖的損害[16]。BAT的激活可以增加腎臟對成纖維細胞生長因子Fgf21的敏感性,緩解內質網(wǎng)應激誘導的肝細胞脂肪變性,發(fā)揮肝臟保護作用[17]。Fgf21是調節(jié)全身脂質、葡萄糖和能量代謝的主要因子[18]。Fgf21可以抑制上皮細胞間充質轉化,從而降低細胞外基質在腎內堆積,改善糖尿病導致的腎臟纖維化病變[18]。因此,BAT的激活近年被視為T2DM腎病前期防治的重點研究方向。

1.3 BAT和T2DM非酒精性脂肪性肝病:非酒精性脂肪性肝病(NAFLD)和T2DM經(jīng)常共存,相互進行協(xié)同作用。T2DM不僅增加了患者患NAFLD的風險,同時快速推進了NAFLD發(fā)展為非酒精性脂肪性肝炎、晚期纖維化或肝硬化的疾病過程[19]。研究發(fā)現(xiàn),直接治療NAFLD可以有效控制T2DM的病程發(fā)展,同時控制T2DM的病程發(fā)展也可以緩解NAFLD向惡性肝病發(fā)展[20]。

有研究表明,向T2DM小鼠移植BAT后,肝組織脂肪滴數(shù)量和膠原纖維沉積明顯減少,肝臟的氧化應激及纖維化有顯著改善[21]。BAT移植可以改善小鼠的糖耐量,降低胰島素抵抗[22]。胰島素抵抗會引起血糖升高,促進脂肪而在肝臟沉積,導致肝臟脂肪樣變出現(xiàn)脂肪肝[23]。因此胰島素抵抗降低有助于減輕肝脂肪變性。同時,根據(jù)對棕色脂肪分泌成分研究分析,研究人員發(fā)現(xiàn),BAT可以通過調控神經(jīng)調節(jié)蛋白4 (Nrg4)來控制肝臟中脂質的產(chǎn)生。Nrg4與肝細胞上的ErbB受體結合,可減少糖向脂肪轉化[24]。Nrg4是一種主要由BAT表達的新型脂肪因子,其可作用于肝臟參與機體糖脂代謝調節(jié)[24]。研究發(fā)現(xiàn),在原代小鼠肝細胞中Nrg4與 ErbB3/ErbB4信號傳導有直接關系[25]。此外,在NASH小鼠模型中觀察到Nrg4缺乏與肝纖維化和肝臟炎癥程度增加有關[25]。通過在小鼠中基因過表達Nrg4,研究人員發(fā)現(xiàn),小鼠因高脂飲食誘導的體重增加、胰島素抵抗和肝臟脂肪生成等病理現(xiàn)象被改善,因此Nrg4與ErbB受體結合被用于減緩限制NAFLD向非酒精性脂肪性肝炎(NASH)的發(fā)展研究[25]。BAT細胞被激活后,BAT分泌Nrg4 的含量升高,肝臟脂肪含量降低,NAFLD進程明顯減緩[24]。BAT應用于減慢NAFLD進程已被充分證實,其具體作用機制研究現(xiàn)被重點關注。

2 棕色脂肪源性外泌體的成分與生物學功能

2.1 脂肪源性外泌體的成分:外泌體是一種小而不均勻的微囊泡,由于其攜帶蛋白質、脂質和核酸等多種物質,并影響受體細胞的功能,近年來引起了廣泛的關注。外泌體含有蛋白質、脂肪和核酸的脂質雙層囊泡,大小為 40～100 nm[26]。外泌體特殊的膜結構可以保護其攜帶的內分泌因子能夠在細胞外環(huán)境中穩(wěn)定存在,從而通過細胞間通信的方式對靶細胞進行鄰近或遠程調控[27]。

脂肪組織被認為是最大的內分泌器官[28]。有研究指出,脂肪組織可通過分泌外泌體與全身器官以及其他細胞等進行信息交換,通過影響靶組織的生理功能調節(jié)參與血管生成、免疫調節(jié)、組織再生、代謝穩(wěn)態(tài)和損傷修復[28]。脂肪組織中多種類型的細胞,包括脂肪細胞、巨噬細胞、脂肪干細胞和內皮細胞分泌的外泌體同時會以一種旁分泌或內分泌的方式介導細胞間和器官間的串擾,調節(jié)脂肪組織和系統(tǒng)內穩(wěn)態(tài)[29]。

不同種類的脂肪細胞產(chǎn)生的外泌體具有不同的生理功能。研究表明,T2DM并發(fā)脂質代謝障礙時,脂肪組織分泌對血管內皮細胞具有損傷作用的外泌體水平升高[29]。脂肪組織巨噬細胞在脂肪組織細胞中分泌的外泌體可產(chǎn)生促炎介質,誘導脂肪細胞功能障礙缺陷和代謝異常[30]。該外泌體中的Mir-34a可參與不同組織的基因表達,促進端?？s短,從而促進細胞死亡[31]。脂肪組織源性間充質干細胞可以促進組織修復和功能改善[29]。脂肪巨噬細胞的負面作用更多,主要影響代謝過程和器官組織損傷[30]。脂肪組織中的巨噬細胞和間充質干細胞分泌的外泌體為研究脂肪外泌體的主要來源。脂肪外泌體除了攜帶脂肪細胞特異性分泌的蛋白外,同時包含多種腫瘤壞死因子、巨噬細胞集落刺激因子、參與免疫調節(jié)的蛋白以及信使RNAs (mRNAs)和 miRNAs,其中大多數(shù)循環(huán)中的 miRNAs被發(fā)現(xiàn)來自脂肪細胞,因此,脂肪外泌體攜帶的各種蛋白和miRNAs作為疾病標志物被重點挖掘[29]。

2.2 棕色脂肪源性外泌體的生物學功能:BAT是一種高度代謝活躍的脂肪組織形式,在產(chǎn)熱維持代謝健康中起著關鍵作用,但是BAT的分泌功能很少受到關注。BAT介導了重要的內分泌功能,研究發(fā)現(xiàn),BAT可以分泌外泌體,當BAT被刺激后,BAT釋放到循環(huán)中的外泌體數(shù)量會發(fā)生顯著變化[32]。例如,人類BAT受到冷誘導或腎上腺素刺激后,BAT分泌外泌體的數(shù)量有顯著增加[32]。

BAT分泌的外泌體作為載體的運輸途徑和其內容物被重點研究:①BAT外泌體作為運輸炎癥因子載體,主要通過干預BAT外泌體與器官之間信息交流的方式來調控T2DM并發(fā)癥的發(fā)展進程;②BAT外泌體內的生物活性因子具有不同的生理特性,通過研究BAT外泌體體內的生物活性物質可以幫助挖掘調控T2DM并發(fā)癥的新生物標志物。

2.3 棕色脂肪源性外泌體和T2DM:研究發(fā)現(xiàn),通過直接激活和移植BAT,它可以正向調控T2DM并發(fā)癥的病程發(fā)展,因此,棕色脂肪改善T2DM并發(fā)癥的途徑和關鍵生物活性因子被重點研究[6]。其中外泌體作為常見的旁分泌物質被關注。通過向高脂飼養(yǎng)的小鼠靜脈注射棕色脂肪外泌體,檢測發(fā)現(xiàn)棕色脂肪外泌體主要聚集于小鼠的心臟,肝臟和腎臟部位[33]。

棕色脂肪外泌體被發(fā)現(xiàn)可以調控由脂質代謝和糖代謝異常引發(fā)的心血管系統(tǒng)功能損傷。BAT分泌的外泌體可以直接被心臟吸收[33]。研究還發(fā)現(xiàn),向高脂飼養(yǎng)的小鼠注射BAT分泌的外泌體后,小鼠受損的心臟收縮功能被改善,小鼠二尖瓣環(huán)的E′/A′比值恢復,心臟功能有所改善[35]。誘導型 NOS(iNOS)在炎癥條件下被高表達,iNOS的高表達促進一氧化氮(NO)產(chǎn)生,對心血管系統(tǒng)起保護作用[34]。NO可以調節(jié)血壓和血管張力,抑制血小板聚集和白細胞黏附,防止平滑肌細胞增殖[34]。NO的生物利用度降低被認為是心血管疾病常見的中心因素之一,常被認為與內皮功能障礙有關[34]。在病理情況下,iNOS 的低表達導致NO含量降低被認為是動脈粥樣硬化等心血管系統(tǒng)疾病的重要誘因[34]。通過敲除BAT 中 ADRB3 基因后,發(fā)現(xiàn)BAT分泌的外泌體中iNOS的表達和含量降低,最終可以導致心臟功能障礙。因此,通過反向升高BAT中ADRB3 基因表達,小鼠心臟功能可以被改善[35]。

BAT來源外泌體miRNAs可以調控腎功能。研究發(fā)現(xiàn),BAT移植可重新激活內源性BAT并糾正糖尿病小鼠的高脂血癥,這些作用是通過脂肪因子與脂肪外泌體轉運的miR-30b聯(lián)合作用的,激活腎臟AMPK-SIRT1-PGC1α軸介導[36]。AMPK-SIRT1-PGC1α軸被激活后,線粒體質量得到控制,腎小管細胞凋亡現(xiàn)象減少,最終可改善腎臟內的能量代謝平衡[37]。BAT通過大量釋放miR-30b,直接抑制腎臟Runx1和Snail1(蛋白)的表達,從而改善腎臟纖維化[36]。因此,BAT分泌miR-30b被認為是改善糖尿病期間腎組織纖維化的關鍵因子。NOX4在肝臟中主要表達的一種煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)氧化酶(NOXs),是活性氧(ROS)的主要來源[38]。NOX4被激活后可產(chǎn)生細胞外基質從而促進肝纖維化和肝硬化[38]。通過研究發(fā)現(xiàn),在脂肪特異性敲除miRNA加工酶Dicer小鼠的BAT移植后,小鼠脂肪組織循環(huán)外泌體中攜帶的miR-99a和miR-99b的水平顯著升高[41]。通過轉染miR-99a mimic后,發(fā)現(xiàn)NOX4蛋白的表達顯著降低,而轉染miR-99a inhibitor可逆轉NOX4蛋白的表達[38]。由此證實,BAT分泌的外泌體可以通過上調miR-99a水平,靶向抑制NOX4基因的表達,從而減緩細胞外基質的形成,減速肝損傷和纖維化的病理發(fā)展過程[38]。

BAT來源外泌體可以顯著改善脂肪肝和由代謝異常導致的肝功能障礙。動物實驗結果表明,注射BAT-Exos的高脂飼養(yǎng)小鼠的肝功能受損問題被緩解[26]。同時與BAT-Exos共培養(yǎng)的肝細胞耗氧量顯著增加,肝細胞的能量消耗和代謝能力被促進,可以有效改善脂質代謝和糖代謝異常的問題[26]。由于外泌體的功能會跟隨生物體內環(huán)境的變化而產(chǎn)生改變,冷應激實驗被用來觀察激活BAT后BAT來源的外泌體miRNAs的變化。研究發(fā)現(xiàn),冷應激刺激BAT后,BAT來源的外泌體中miR-132-3p被顯著誘導,當BAT靶向肝臟器官后,高表達miR-132-3p 基因的BAT-Exos可以刺激肝臟脂肪生成基因Srebf1的表達,以此調節(jié)肝臟脂肪生成以適應寒冷[39]。該研究證實肝臟脂肪生成基因Srebf1是miR-132-3p靶標,且可以通過調控BAT-Exos表達miR-132-3p來調控肝臟脂肪生成[30]。越來越多的研究表明,外泌體參與了DKD相關的病理生理過程,這為DKD提供新的生物標志物和治療靶點。

在病理條件下,棕色脂肪細胞比白色脂肪細胞更容易發(fā)生凋亡現(xiàn)象,進而導致棕色脂肪釋放大量炎癥因子和包含炎癥因子的外泌體。在脂質過載引發(fā)的炎癥環(huán)境中,棕色脂肪細胞比白色脂肪細胞更容易發(fā)生凋亡現(xiàn)象,攜帶炎癥因子的棕色脂肪源性外泌體,對T2DM并發(fā)癥的疫應答過程有重要的調節(jié)作用[26]。目前研究外泌體應用于臨床常見疾病的潛在發(fā)病機制還存在以下主要問題。首先,臨床樣本分泌的外泌體的來源難以追溯,直接獲取的BAT所分泌的外泌體內容物會根據(jù)生物體內環(huán)境的改變和培養(yǎng)環(huán)境的改變而改變,具有差異性,在探究具體調控病變的因子上有較大難度;其次,外泌體的分離純度要求很高,分離外泌體要達到用于研究的純度與濃度十分困難,常存在得率低和提取過程復雜等問題,嚴重影響提取的外泌體的活性和純度;最后,使用外泌體治療的安全性不確定,由于外泌體攜帶大量核酸與生物活性分子,因此,外泌體用于生物體治療時,是否會存在免疫相關的移植物抗宿主反應還需更多實驗進行驗證。

加強對外泌體組成與生物學功能的研究,深入探究BAT分泌的外泌體對T2DM并發(fā)癥的調控,有助于進一步解析T2DM并發(fā)癥的病因與發(fā)病機制,同時對輔助減緩T2DM病程進展和提高T2DM患者生活質量及生存率具有重要指導意義。