阮曉劼

隨著現(xiàn)代社會(huì)的不斷進(jìn)步,人們的生活水平也在不斷改善,然而因不良生活習(xí)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(fēng)險(xiǎn)[3-4]。脂肪組織是調(diào)節(jié)系統(tǒng)能量代謝的重要器官,其代謝活動(dòng)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(duì)體內(nèi)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(zhì),從而改善β細(xì)胞功能,減少胰腺β細(xì)胞對(duì)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(zhì)、細(xì)胞因子等可以參與遠(yuǎn)程調(diào)控和參與各種生物學(xué)過(guò)程[5-6]。近幾年,BAT分泌的外泌體已成為T(mén)2DM防治策略的重要研究?jī)?nèi)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(jìn)行綜述。

1 BAT應(yīng)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(dòng)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(jìn)展速度更快,病變更彌散、廣泛,易累及遠(yuǎn)端血管,加速心腦血管疾病的進(jìn)展,AS的預(yù)防及治療一直是T2DM患者臨床試驗(yàn)、治療策略和臨床實(shí)踐指南的主要焦點(diǎn)[8]。目前,治療糖尿病并發(fā)AS主要采用降血糖、調(diào)血脂、降血壓、溶栓、抗凝等藥物或外科手術(shù)介入等對(duì)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(wèn)題[9]。

通過(guò)大數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn),體內(nèi)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(wú)明顯BAT的T2DM患者[9],其冠狀動(dòng)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(guò)向高脂喂養(yǎng)的小鼠移植BAT,研究人員觀察到BAT對(duì)心肌梗死引起的葡萄糖耐受不良有保護(hù)作用,緩解T2DM心血管疾病的發(fā)展,同時(shí)左心室肥大癥狀減少[10]。通過(guò)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(cè)到BAT的活性被冷激活后,小鼠體內(nèi)低密度脂蛋白膽固醇受體活性恢復(fù),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(dòng)脈粥樣硬化癥的病程發(fā)展[11]。因此,增加 BAT或激活BAT 被認(rèn)為是T2DM發(fā)生心臟梗死的重要干預(yù)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(jiàn)的并發(fā)癥,2020 年中華糖尿病學(xué)會(huì)調(diào)查顯示,我國(guó)大約30%～40%的糖尿病患者會(huì)發(fā)生DKD,DKD的發(fā)展快速,如不及時(shí)治療,腎臟病變將不可逆轉(zhuǎn)。然而,藥物治療效果欠佳,預(yù)后不良[13]。DKD顯著增加了T2DM患者死亡風(fēng)險(xiǎn),因此,早預(yù)防、早診斷、早治療對(duì)延緩DKD進(jìn)展尤為重要。

研究人員通過(guò)移植BAT干預(yù)T2DM小鼠后發(fā)現(xiàn),小鼠內(nèi)源性BAT的活性和腎臟的下游信號(hào)通路AMPK-SIRT1-PGC1α被激活,從而抑制小鼠腎臟炎癥和氧化應(yīng)激,改善T2DM小鼠出現(xiàn)的腎臟炎癥、纖維化及氧化應(yīng)激的病理現(xiàn)象[14]。AMPK/PGC-1α信號(hào)通路被證實(shí)是調(diào)節(jié)線粒體功能、脂質(zhì)代謝和細(xì)胞生長(zhǎng)的關(guān)鍵機(jī)制,在T2DM的病理生理機(jī)制中起著至關(guān)重要的作用[15]。研究表明,高血糖可以通過(guò)直接抑制SIRT1降低PGC1α的信號(hào)傳導(dǎo)功能,從而引起腎臟損傷[16]。因此激活A(yù)MPK-SIRT1-PGC1α通路的治療方法被證實(shí)可以保護(hù)腎臟免受高血糖的損害[16]。BAT的激活可以增加腎臟對(duì)成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子Fgf21的敏感性,緩解內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激誘導(dǎo)的肝細(xì)胞脂肪變性,發(fā)揮肝臟保護(hù)作用[17]。Fgf21是調(diào)節(jié)全身脂質(zhì)、葡萄糖和能量代謝的主要因子[18]。Fgf21可以抑制上皮細(xì)胞間充質(zhì)轉(zhuǎn)化,從而降低細(xì)胞外基質(zhì)在腎內(nèi)堆積,改善糖尿病導(dǎo)致的腎臟纖維化病變[18]。因此,BAT的激活近年被視為T(mén)2DM腎病前期防治的重點(diǎn)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(jìn)行協(xié)同作用。T2DM不僅增加了患者患NAFLD的風(fēng)險(xiǎn),同時(shí)快速推進(jìn)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(guò)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(shí)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(yīng)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(huì)引起血糖升高,促進(jìn)脂肪而在肝臟沉積,導(dǎo)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(shí),根據(jù)對(duì)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(guò)調(diào)控神經(jīng)調(diào)節(jié)蛋白4 (Nrg4)來(lái)控制肝臟中脂質(zhì)的產(chǎn)生。Nrg4與肝細(xì)胞上的ErbB受體結(jié)合,可減少糖向脂肪轉(zhuǎn)化[24]。Nrg4是一種主要由BAT表達(dá)的新型脂肪因子,其可作用于肝臟參與機(jī)體糖脂代謝調(diào)節(jié)[24]。研究發(fā)現(xiàn),在原代小鼠肝細(xì)胞中Nrg4與 ErbB3/ErbB4信號(hào)傳導(dǎo)有直接關(guān)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(guān)[25]。通過(guò)在小鼠中基因過(guò)表達(dá)Nrg4,研究人員發(fā)現(xiàn),小鼠因高脂飲食誘導(dǎo)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(jié)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(xì)胞被激活后,BAT分泌Nrg4 的含量升高,肝臟脂肪含量降低,NAFLD進(jìn)程明顯減緩[24]。BAT應(yīng)用于減慢NAFLD進(jìn)程已被充分證實(shí),其具體作用機(jī)制研究現(xiàn)被重點(diǎn)關(guān)注。

2 棕色脂肪源性外泌體的成分與生物學(xué)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(zhì)、脂質(zhì)和核酸等多種物質(zhì),并影響受體細(xì)胞的功能,近年來(lái)引起了廣泛的關(guān)注。外泌體含有蛋白質(zhì)、脂肪和核酸的脂質(zhì)雙層囊泡,大小為 40～100 nm[26]。外泌體特殊的膜結(jié)構(gòu)可以保護(hù)其攜帶的內(nèi)分泌因子能夠在細(xì)胞外環(huán)境中穩(wěn)定存在,從而通過(guò)細(xì)胞間通信的方式對(duì)靶細(xì)胞進(jìn)行鄰近或遠(yuǎn)程調(diào)控[27]。

脂肪組織被認(rèn)為是最大的內(nèi)分泌器官[28]。有研究指出,脂肪組織可通過(guò)分泌外泌體與全身器官以及其他細(xì)胞等進(jìn)行信息交換,通過(guò)影響靶組織的生理功能調(diào)節(jié)參與血管生成、免疫調(diào)節(jié)、組織再生、代謝穩(wěn)態(tài)和損傷修復(fù)[28]。脂肪組織中多種類型的細(xì)胞,包括脂肪細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、脂肪干細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞分泌的外泌體同時(shí)會(huì)以一種旁分泌或內(nèi)分泌的方式介導(dǎo)細(xì)胞間和器官間的串?dāng)_,調(diào)節(jié)脂肪組織和系統(tǒng)內(nèi)穩(wěn)態(tài)[29]。

不同種類的脂肪細(xì)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(zhì)代謝障礙時(shí),脂肪組織分泌對(duì)血管內(nèi)皮細(xì)胞具有損傷作用的外泌體水平升高[29]。脂肪組織巨噬細(xì)胞在脂肪組織細(xì)胞中分泌的外泌體可產(chǎn)生促炎介質(zhì),誘導(dǎo)脂肪細(xì)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(dá),促進(jìn)端?？s短,從而促進(jìn)細(xì)胞死亡[31]。脂肪組織源性間充質(zhì)干細(xì)胞可以促進(jìn)組織修復(fù)和功能改善[29]。脂肪巨噬細(xì)胞的負(fù)面作用更多,主要影響代謝過(guò)程和器官組織損傷[30]。脂肪組織中的巨噬細(xì)胞和間充質(zhì)干細(xì)胞分泌的外泌體為研究脂肪外泌體的主要來(lái)源。脂肪外泌體除了攜帶脂肪細(xì)胞特異性分泌的蛋白外,同時(shí)包含多種腫瘤壞死因子、巨噬細(xì)胞集落刺激因子、參與免疫調(diào)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(lái)自脂肪細(xì)胞,因此,脂肪外泌體攜帶的各種蛋白和miRNAs作為疾病標(biāo)志物被重點(diǎn)挖掘[29]。

2.2 棕色脂肪源性外泌體的生物學(xué)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(guān)鍵作用,但是BAT的分泌功能很少受到關(guān)注。BAT介導(dǎo)了重要的內(nèi)分泌功能,研究發(fā)現(xiàn),BAT可以分泌外泌體,當(dāng)BAT被刺激后,BAT釋放到循環(huán)中的外泌體數(shù)量會(huì)發(fā)生顯著變化[32]。例如,人類BAT受到冷誘導(dǎo)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(yùn)輸途徑和其內(nèi)容物被重點(diǎn)研究:①BAT外泌體作為運(yùn)輸炎癥因子載體,主要通過(guò)干預(yù)BAT外泌體與器官之間信息交流的方式來(lái)調(diào)控T2DM并發(fā)癥的發(fā)展進(jìn)程;②BAT外泌體內(nèi)的生物活性因子具有不同的生理特性,通過(guò)研究BAT外泌體體內(nèi)的生物活性物質(zhì)可以幫助挖掘調(diào)控T2DM并發(fā)癥的新生物標(biāo)志物。

2.3 棕色脂肪源性外泌體和T2DM:研究發(fā)現(xiàn),通過(guò)直接激活和移植BAT,它可以正向調(diào)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(guān)鍵生物活性因子被重點(diǎn)研究[6]。其中外泌體作為常見(jiàn)的旁分泌物質(zhì)被關(guān)注。通過(guò)向高脂飼養(yǎng)的小鼠靜脈注射棕色脂肪外泌體,檢測(cè)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(diào)控由脂質(zhì)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(fù),心臟功能有所改善[35]。誘導(dǎo)型 NOS(iNOS)在炎癥條件下被高表達(dá),iNOS的高表達(dá)促進(jìn)一氧化氮(NO)產(chǎn)生,對(duì)心血管系統(tǒng)起保護(hù)作用[34]。NO可以調(diào)節(jié)血壓和血管張力,抑制血小板聚集和白細(xì)胞黏附,防止平滑肌細(xì)胞增殖[34]。NO的生物利用度降低被認(rèn)為是心血管疾病常見(jiàn)的中心因素之一,常被認(rèn)為與內(nèi)皮功能障礙有關(guān)[34]。在病理情況下,iNOS 的低表達(dá)導(dǎo)致NO含量降低被認(rèn)為是動(dòng)脈粥樣硬化等心血管系統(tǒng)疾病的重要誘因[34]。通過(guò)敲除BAT 中 ADRB3 基因后,發(fā)現(xiàn)BAT分泌的外泌體中iNOS的表達(dá)和含量降低,最終可以導(dǎo)致心臟功能障礙。因此,通過(guò)反向升高BAT中ADRB3 基因表達(dá),小鼠心臟功能可以被改善[35]。

BAT來(lái)源外泌體miRNAs可以調(diào)控腎功能。研究發(fā)現(xiàn),BAT移植可重新激活內(nèi)源性BAT并糾正糖尿病小鼠的高脂血癥,這些作用是通過(guò)脂肪因子與脂肪外泌體轉(zhuǎn)運(yùn)的miR-30b聯(lián)合作用的,激活腎臟AMPK-SIRT1-PGC1α軸介導(dǎo)[36]。AMPK-SIRT1-PGC1α軸被激活后,線粒體質(zhì)量得到控制,腎小管細(xì)胞凋亡現(xiàn)象減少,最終可改善腎臟內(nèi)的能量代謝平衡[37]。BAT通過(guò)大量釋放miR-30b,直接抑制腎臟Runx1和Snail1(蛋白)的表達(dá),從而改善腎臟纖維化[36]。因此,BAT分泌miR-30b被認(rèn)為是改善糖尿病期間腎組織纖維化的關(guān)鍵因子。NOX4在肝臟中主要表達(dá)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(lái)源[38]。NOX4被激活后可產(chǎn)生細(xì)胞外基質(zhì)從而促進(jìn)肝纖維化和肝硬化[38]。通過(guò)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(guò)轉(zhuǎn)染miR-99a mimic后,發(fā)現(xiàn)NOX4蛋白的表達(dá)顯著降低,而轉(zhuǎn)染miR-99a inhibitor可逆轉(zhuǎn)NOX4蛋白的表達(dá)[38]。由此證實(shí),BAT分泌的外泌體可以通過(guò)上調(diào)miR-99a水平,靶向抑制NOX4基因的表達(dá),從而減緩細(xì)胞外基質(zhì)的形成,減速肝損傷和纖維化的病理發(fā)展過(guò)程[38]。

BAT來(lái)源外泌體可以顯著改善脂肪肝和由代謝異常導(dǎo)致的肝功能障礙。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,注射BAT-Exos的高脂飼養(yǎng)小鼠的肝功能受損問(wèn)題被緩解[26]。同時(shí)與BAT-Exos共培養(yǎng)的肝細(xì)胞耗氧量顯著增加,肝細(xì)胞的能量消耗和代謝能力被促進(jìn),可以有效改善脂質(zhì)代謝和糖代謝異常的問(wèn)題[26]。由于外泌體的功能會(huì)跟隨生物體內(nèi)環(huán)境的變化而產(chǎn)生改變,冷應(yīng)激實(shí)驗(yàn)被用來(lái)觀察激活BAT后BAT來(lái)源的外泌體miRNAs的變化。研究發(fā)現(xiàn),冷應(yīng)激刺激BAT后,BAT來(lái)源的外泌體中miR-132-3p被顯著誘導(dǎo),當(dāng)BAT靶向肝臟器官后,高表達(dá)miR-132-3p 基因的BAT-Exos可以刺激肝臟脂肪生成基因Srebf1的表達(dá),以此調(diào)節(jié)肝臟脂肪生成以適應(yīng)寒冷[39]。該研究證實(shí)肝臟脂肪生成基因Srebf1是miR-132-3p靶標(biāo),且可以通過(guò)調(diào)控BAT-Exos表達(dá)miR-132-3p來(lái)調(diào)控肝臟脂肪生成[30]。越來(lái)越多的研究表明,外泌體參與了DKD相關(guān)的病理生理過(guò)程,這為DKD提供新的生物標(biāo)志物和治療靶點(diǎn)。

在病理?xiàng)l件下,棕色脂肪細(xì)胞比白色脂肪細(xì)胞更容易發(fā)生凋亡現(xiàn)象,進(jìn)而導(dǎo)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(zhì)過(guò)載引發(fā)的炎癥環(huán)境中,棕色脂肪細(xì)胞比白色脂肪細(xì)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(duì)T2DM并發(fā)癥的疫應(yīng)答過(guò)程有重要的調(diào)節(jié)作用[26]。目前研究外泌體應(yīng)用于臨床常見(jiàn)疾病的潛在發(fā)病機(jī)制還存在以下主要問(wèn)題。首先,臨床樣本分泌的外泌體的來(lái)源難以追溯,直接獲取的BAT所分泌的外泌體內(nèi)容物會(huì)根據(jù)生物體內(nèi)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(diào)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(dá)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(guò)程復(fù)雜等問(wèn)題,嚴(yán)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(shí),是否會(huì)存在免疫相關(guān)的移植物抗宿主反應(yīng)還需更多實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

加強(qiáng)對(duì)外泌體組成與生物學(xué)功能的研究,深入探究BAT分泌的外泌體對(duì)T2DM并發(fā)癥的調(diào)控,有助于進(jìn)一步解析T2DM并發(fā)癥的病因與發(fā)病機(jī)制,同時(shí)對(duì)輔助減緩T2DM病程進(jìn)展和提高T2DM患者生活質(zhì)量及生存率具有重要指導(dǎo)意義。