研究背景
脂肪组织功能障碍是肥胖和某些疾病代谢紊乱的首因。在肥胖的情况下，肥大的脂肪细胞变得功能失调并促进组织炎症和纤维化，引发全身性脂毒性并促进与肥胖相关疾病的发展，如心血管疾病，而脂肪细胞功能的主要决定因素是线粒体代谢的充分性。作者之前的研究证明，线粒体铁蛋白（FTMT）在脂肪细胞（Adipo-FTMT小鼠）中的体内过表达通过诱导脂肪细胞氧化应激和抑制氧化磷酸化来模拟肥胖相关的线粒体损伤，在心脏中表现出显著的线粒体氧化应激。可能来源于脂肪细胞通过释放细胞外囊泡（SEVs）来响应线粒体应激。
基于此，作者试图解释“肥胖悖论”现象，即肥胖者容易患心血管相关的疾病，但短期内相较于体重正常患者存活率要高。
研究成果
2021年9月7日，美国德克萨斯大学西南医学中心的Philipp团队在《Cell Metabolism》（IF=31.37）杂志上发表题为“Extracellular vesicle-based interorgan transport of mitochondria from energetically stressed adipocytes”的文章。研究表明，SEVs含有具有呼吸能力，但氧化损伤的线粒体颗粒，它们进入循环并被心肌细胞吸收，触发ROS爆发，保护心肌细胞免受急性氧化应激。该研究首次描述了组织间的功能性线粒体转移，并首次提供了脊椎动物“器官间有丝分裂兴奋效应”的实例。这些看似有毒的脂肪细胞SEVs可能提供了一种有效的心脏保护生理途径，以对抗由肥胖引起的不可避免的脂毒性或缺血性应激。
原文连接：
https://doi.org/10.1016/j.cmet.2021.08.002
过程结果
1. 脂肪细胞特异性线粒体功能障碍通过细胞外囊泡诱导心肌线粒体氧化应激
作者建立了可诱导的、组织特异性的肥胖相关的线粒体损伤小鼠模型。在这个脂肪-FtMT小鼠（下文称AF小鼠）模型中，用多西环素(dox)处理后，AF小鼠皮下白色脂肪组织(sWAT)表现出更高的PC（蛋白质羰基化）水平，确定诱导氧化应激成功。使用dox-HFD（高脂饮食）处理3周后，AF小鼠的心脏PC水平更高并且表现出更高水平的线粒体过氧化氢产生。这些数据表明，膳食脂质负荷对于促进AF小鼠心脏的ROS产生是必要的并且心脏ROS可能是针对线粒体产生的。即在体内有一种内分泌机制，将脂肪细胞的促氧化信号传递到心肌。
2. 脂肪细胞SEV刺激离体心肌细胞产生ROS
高脂饮食喂养三周后，从不同组小鼠血清中分离细胞外囊泡。AF小鼠的SEV处理的心肌细胞在任何检测条件下都表现出最高的氧化应激。从体外分化的脂肪细胞的条件培养基中纯化SEV，用荧光染料PHK26标记并处理心肌细胞，可以观察到心肌细胞能稳定地吸收脂肪细胞SEV。如果从对照组或AF小鼠脂肪细胞中分离出SEV，心肌细胞对SEV的吸收程度相同，并且AF小鼠来源的SEV处理的心肌细胞诱导显著的氧化应激（图2 J-M）。
图 2. 脂肪细胞特异性线粒体功能障碍通过外泌体诱导心脏线粒体氧化应激
3. 脂肪细胞SEV刺激ROS的产生，导致体内心脏组织线粒体功能障碍
来自WT脂肪细胞的SEV当被注射到小鼠体内时，心脏不会产生氧化应激。通过实验表明，SEVPA可能通过引起线粒体功能障碍来诱导心脏ROS的产生。然而，这种应激迅速满足心肌细胞适应机制，以恢复能量和氧化还原稳态。
图 3. 棕榈酸盐应激脂肪细胞的SEV在体内诱导心脏ROS产生
4. 线粒体能量应激刺激脂肪细胞释放SEV
过表达线粒体铁蛋白体外分化的脂肪细胞在培养基中释放了更多的SEV，暴露于电子传递链抑制剂的脂肪组织也会增加SEV释放。在抗霉素A后，很快就可以检测到SEV的释放增强。通过棕榈酸盐的处理也增强了SEV的释放(图4 A-D)。因此，SEV的释放似乎是对脂肪细胞线粒体能量和氧化应激的一般反应。
5. 应激刺激的脂肪细胞SEV富含具有呼吸能力的线粒体颗粒
与对照组小鼠相比，AF小鼠血清SEV中含有更高水平的线粒体来源蛋白，如VDAC、HSP60和COXIV。作者纯化从AF小鼠的SEV发现线粒体标记物与已知的外泌体标记物的平衡部分相同，这表明线粒体蛋白被包裹在外泌体样囊泡中。抑制剂和棕榈酸盐处理也会增加SEV中线粒体蛋白的含量。此外，从肥胖小鼠血清中分离出的SEV含有更多的线粒体蛋白，这表明这一现象具有生理相关性。这些数据表明，SEV产生的增加和SEV中线粒体蛋白的包含都是脂肪细胞对能量应激的特征反应(图4 E-K)。
图 4. 经历能量应激的脂肪细胞在SEV中释放具有呼吸能力但氧化损伤的线粒体
6. 包装在应激诱导的SEV中的线粒体起源于线粒体来源的囊泡
与经历线粒体自噬不同，MDVs（线粒体来源囊泡）有可能通过外泌体释放来逃避溶酶体降解并启动其他细胞器间信号传导。作者通过体外重建MDV形成的方法，发现从AF小鼠的sWAT中分离出来的线粒体确实产生更多的MDV。抗霉素A处理氧化应激后，TOM20和内吞体标记物EEA-1的共定位证明线粒体受损成分作为MDVs穿梭进入内溶酶体系统。如果给WT小鼠注射棕榈酸处理的Parkin敲除小鼠（MDV被降解）脂肪细胞的SEV，并没有检测到心脏中ROS的产生，这表明包装成SEV的线粒体是观察到的心脏ROS诱导的主要因素（图5）。
图 5. 线粒体来源的囊泡被包装成SEV
7. 脂肪细胞SEV相关的线粒体进入循环并被并入心脏线粒体网络
为了观察MDV在体内从脂肪细胞到心肌的转移，我们建立了一个可诱导的小鼠模型，该模型选择性地在脂肪细胞中表达线粒体定位的Flag标记。在dox-HFD处理11周后，在脂肪分裂小鼠的血清SEV和整个心脏组织中检测到Flag标签并定位于心肌细胞(CTN1)。此外，脂肪细胞来源的线粒体可能整合到心肌细胞网络中，因为Flag信号在分离的心脏线粒体中富集。在注射棕榈酸应激的Flag脂肪细胞SEV1小时后，在WT小鼠心脏中检测到Flag标签。如果小鼠预先注射CQ以抑制溶酶体降解，心脏中积累更多的标志。（图6）。
图 6. 脂肪细胞释放的线粒体进入循环并并入心肌细胞线粒体网络
8. 人类脂肪细胞SEV介导的应激信号的证据
来自代谢不健康的肥胖(MUO)患者的血浆样本中的SEV水平明显高于代谢健康的瘦对照组(MHL)。相比之下，在瘦人和代谢健康的肥胖个体(MHO)之间没有检测到循环SEV含量的变化，尽管MHO组有其水平升高的趋势。此外SEV相关的mtDNA在MUO组中被稳定检测到。有趣的是，与瘦人组相比，无论代谢健康状况如何，这两个肥胖组在SEV中都显示出更多的线粒体蛋白和氧化蛋白。这些数据表明，在肥胖人群中循环的SEV相关线粒体可能有生理作用（图7）。
图 7. 肥胖、代谢不健康的人类表现出携带mtDNA的高循环SEV
9. 脂肪细胞SEV在小鼠急性心肌梗死时保护心肌组织
作者想要了解脂肪细胞传递的这些氧化受损线粒体所带来的ROS效应对于心肌细胞而言是否是病理性的，尤其是在肥胖患者常出现的急性心肌梗死的背景下。为此，作者提前向小鼠注射了提前用棕榈酸酯处理过的SEV（sEVPA），以刺激心脏中的线粒体功能障碍和自由基的产生。在注射2小时后，对小鼠进行缺血再灌注（IR）实验，IR后24小时，sEVPA处理的小鼠心肌梗塞面积显著减少，提示sEVPA中线粒体数量与其促氧化作用以及对心脏的保护效果呈正相关。IR后7天，sEVPA处理的小鼠表现出较少的脂质过氧化产物，且射血分数和缩短分数显著保留（图8）。这些结果一致说明，脂肪细胞向心肌细胞传递的ROS效应不仅不会加重病理情况，反而会预先使心脏适应氧化应激环境，从而对急性缺血性应激产生抵抗能力。
转自：“学术查”微信公众号
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