科學發現脂肪細胞向心肌細胞遞送線粒體，誘發抗氧化反應保護心肌

隨著生活水平不斷提高，肥胖在人群中已經越來越普遍。據統計，全球肥胖人數超過6億，而中國肥胖人數位居世界榜首。在慢性肥胖中，代謝應激會引起脂肪細胞功能失調，其內分泌功能逐漸喪失，並且促進組織發生炎症和纖維化［1］。同時，脂肪細胞內的線粒體發生功能障礙，伴有全身脂質毒性和胰島素抵抗，從而導致肥胖相關心血管疾病的發生［2］。但有趣的是，雖然肥胖是心血管疾病的獨立危險因素，但與瘦人相比，肥者的短期和中期心血管疾病預後更好，而最終的長期預後更差，即“肥胖悖論”［3］。近期，來自美國德克薩斯大學西南醫學中心的Philipp E。 Scherer團隊在《細胞·代謝》期刊發表重要研究成果，或有助於解釋“肥胖悖論”［4］。他們的研究結果表明，在慢性肥胖時，脂肪細胞會釋放小細胞外囊泡（sEV）來響應線粒體應激。而這些sEVs中含有氧化受損的線粒體，進入迴圈被心肌細胞吸收，誘發心肌細胞產生活性氧（ROS）和抗氧化反應，從而保護心肌免受急性應激損傷。

論文首頁截圖

研究人員使用脂肪細胞特異性過表達線粒體鐵蛋白（FtMT）的小鼠模型（稱為adipo-FtMT小鼠），這種小鼠的脂肪細胞表現出更高的氧化應激水平，能模擬肥胖引起的脂肪細胞線粒體功能障礙［5］。研究結果表明，與野生型相比，高脂飲食（HFD）餵養的adipo-FtMT小鼠的心臟組織中蛋白質羰基化水平（反應蛋白質被ROS損傷程度）顯著升高，且線粒體H2O2水平顯著增加。這些結果表明脂肪細胞的線粒體功能障礙能引起心肌發生氧化應激。

Adipo-FtMT小鼠心肌氧化應激水平更高

那麼，脂肪細胞如何影響心肌細胞功能呢？由於短期（3周）HFD和長期（16周）HFD均能引起心肌氧化應激反應，研究人員推測，體內可能存在一種快速的內分泌機制將促氧化訊號從脂肪細胞傳遞到心肌。研究人員檢測細胞外囊泡（EV）是否參與這種細胞互作過程。透過奈米粒子追蹤技術，與野生型相比，HFD餵養的adipo-FtMT小鼠中迴圈sEV水平更高，並且這些sEV中FABP4（脂肪細胞特異性高表達的蛋白）水平更高。同時，使用GW4869阻斷外泌體產生後，HFD引起的adipo-FtMT小鼠sEV升高和心臟的氧化應激均被恢復。這些結果表明，促氧化訊號可以透過sEV從脂肪細胞傳遞到心臟。接下來，研究人員分離各組小鼠血清中的sEVs，在體外刺激心肌細胞。結果表明，用HFD餵養的adipo-FtMT小鼠的sEV處理的心肌細胞的氧化應激水平最高。

為了驗證這些脂肪細胞來源的sEVs是否被心肌細胞直接攝取，研究人員將從adipo-FtMT脂肪細胞的培養基中提取sEV，然後用PKH26熒光染料標記，並用這些sEV處理心肌細胞。結果表明，心肌細胞吸收了脂肪細胞的sEV，且adipo-FtMT小鼠sEV處理的心肌細胞氧化應激水平更高。研究人員接下來進行體內實驗驗證，透過將PKH26標記的sEV靜脈注射進入小鼠，也證實了脂肪細胞的sEV確實進入了心肌組織。而野生型健康培養的脂肪細胞的sEV並不會在心臟中引起氧化應激。於是研究人員探究脂肪細胞在能量應激時產生的sEV是否會引起心臟的氧化應激反應。他們利用棕櫚酸處理脂肪細胞，提取其sEV（即sEVPA）注射至小鼠體內。結果發現，在sEVPA注射1小時後，心肌細胞出現顯著氧化應激（蛋白質羰基化水平增高）和線粒體功能障礙，而注射2小時後，這種氧化應激恢復正常，伴有抗氧化蛋白過氧化氫酶（CAT）表達增加。

sEVPA誘發心肌細胞氧化應激反應

為了進一步評估線粒體功能障礙與脂肪細胞sEV釋放的關係，研究人員檢測adipo-FtMT脂肪細胞，和各種電子傳遞鏈複合體抑制劑處理後的脂肪細胞sEV的釋放量。結果表明，脂肪細胞發生線粒體應激能刺激sEV釋放。

線粒體能量應激促進脂肪細胞sEV釋放

那麼為什麼這些sEV能誘發心肌產生能量應激？脂肪細胞線粒體功能受損時sEV釋放會增加？為了解決這些問題，研究人員對脂肪細胞sEV促心肌氧化應激的介質進行探索。結果發現，與野生型相比，adipo-FtMT脂肪細胞的sEV富含線粒體相關蛋白（VDAC，HSP60和COXIV）。同時，在誘導能量應激的情況下（包括adipo-FtMT、電子傳遞鏈抑制劑、棕櫚酸處理），其sEV的線粒體蛋白水平更高。同時，與消瘦小鼠相比，肥胖小鼠血清中sEV的線粒體蛋白含量更高。

線粒體應激的情況下，sEV的線粒體蛋白水平更高

由於既往報道了線粒體DNA和蛋白質均存在於EV，研究人員探究在這些脂肪細胞來源的sEVs中是否有完整有呼吸功能的線粒體。結果發現，這些從小鼠血清中分離的sEVs有可檢測的氧消耗速率（OCR），並且adipo-FtMT小鼠血清的sEVs的基礎OCR更高，這與前面adipo-FtMT小鼠sEV中線粒體蛋白含量更高的結論一致。此外，adipo-FtMT小鼠sEV的蛋白質羰基化水平更高。這些結果表明，在氧化應激下脂肪細胞產生的sEVs含有氧化損傷但呼吸功能正常的線粒體成分。這些在胞外sEV中的線粒體讓研究者聯想到一種細胞內囊泡—線粒體來源的囊泡（MDV）。MDV是在氧化應激下從線粒體上出芽形成的囊泡，並且這種線粒體質量控制依賴PINK1和Parkin蛋白［6，7］。那麼這些脂肪細胞的線粒體成分是否可能透過MDV傳送到sEV分泌到血清中呢？結果表明，adipo-FtMT的脂肪組織確實產生了更多MDV。而在Parkin敲除的脂肪細胞中，其釋放的sEV中線粒體成分減少，伴有心肌氧化應激程度降低。

adipo-FtMT的脂肪細胞產生更多MDV

為了在體內讓脂肪細胞到心肌MDV轉移視覺化，研究人員構建在脂肪細胞中選擇性表達線粒體的flag標籤。經過11周HFD餵養後，小鼠整個血清和心肌中都檢測到flag標籤。這些結果表明脂肪來源的線粒體可能會整合到心肌中。最後，研究人員檢測脂肪細胞sEV介導的心肌細胞ROS產生在急性心肌缺血再灌注損傷中的作用。令人驚訝的是，與接受PBS的小鼠相比，心肌缺血前注射sEVPA的小鼠心損傷標誌物降低，心肌梗死麵積減小，心肌肥厚程度更低，且射血分數保留。這些結果表明，脂肪細胞傳送到心肌細胞的sEV介導的氧化應激並沒有加重心梗，反而讓心臟預適應心梗這種急性損傷。

棕櫚酸誘導的sEV保護心肌缺血再灌注損傷

綜合上述結果，該研究表明，慢性肥胖能量應激會使脂肪細胞釋放含受損線粒體的sEV，該sEV進入心肌誘導氧化應激，導致抗氧化反應，從而保護心肌缺血再灌注損傷。

心臟作為全身最重要的器官之一，必然有代償各種應激的能力，該研究解釋了心臟如何感知脂肪功能失調狀態，啟動防禦措施來防止脂質毒性。同時，該研究也可以部分解釋“肥胖悖論”，肥胖患者或透過脂肪細胞與心肌細胞的相互作用，啟動心肌的抗氧化反應，從而有更好的短中期心血管預後。這項研究首次描述了組織間線粒體的功能性轉移。透過更深入瞭解脂肪的應激訊號，未來有可能利用該機制改善肥胖和非肥胖人群的心臟健康。