第128期：外泌体与肥胖相关的胰岛素抵抗

  本期由姝儿分享Li-Min Lei等人2019年发表在Front Cell Dev Biol上的题为“Exosomes and Obesity-Related Insulin Resistance”的文章。摘要：

       外泌体是细胞外囊泡，将信号分子从供体细胞传递到受体细胞。 外泌体的货物，包括蛋白质，DNA和RNA，可以靶向受体组织和器官，这些组织和器官在疾病发展中具有重要作用。 胰岛素抵抗是一种病理状态，在2型糖尿病（T2DM），妊娠糖尿病和阿尔茨海默氏病的致病菌中很重要。 此外，肥胖是胰岛素抵抗的一种诱因。本文总结了外泌体和胰岛素抵抗的最新研究进展，特别是与肥胖相关的胰岛素抵抗。研究表明，外泌体在肥胖症中胰岛素抵抗的发生中具有重要意义，并且在胰岛素抵抗的诊断和治疗中具有巨大的潜力。

外泌体

      外泌体被认为是细胞外囊泡（EVs），是直径为30-150 nm的杯状结构，并带有一层脂质双层膜。外泌体携带的信息分子包括脂质，蛋白质和核酸，这些类型的物质受到脂质的保护免于降解双层膜，可以从供体细胞转运到受体细胞（图1）。有许多标记分子可以确定外泌体，包括CD81，CD9，CD63，热休克蛋白（HSP60，HSP70和HSP90），ALG-2（凋亡相关基因2）相互作用蛋白X（ALIX）和肿瘤易感性基因101（TSG101）和葡萄糖调节蛋白94（Grp94）作为阴性标记。作为细胞之间信息交换的新载体，外泌体可以被不同类型的细胞分泌，例如肝细胞，脂肪细胞，骨骼肌细胞，血管平滑肌细胞和干细胞。已在各种体液中检测到外泌体，包括血浆，唾液，母乳，汗液，眼泪和尿液。

      外泌体的确切功能是什么？最初，外泌体被描述为“垃圾堆”，将无用或有害的细胞内物质带出细胞。最近，外来体被定义为“信号箱”，其在细胞或器官之间传递信息。现在，越来越多的研究阐明了外泌体的功能。外泌体可参与病理和生理过程，包括血管生成，血管钙化，免疫炎症，细胞凋亡。 纤维化，肿瘤发展，组织修复和胰岛素抵抗。本文目前的评论将重点关注外泌体对胰岛素抵抗的影响

胰岛素生理与胰岛素抵抗

      作为葡萄糖代谢的关键调节因子，胰岛素在血糖升高后由胰腺β细胞分泌。确实，胰岛素的作用主要促进骨骼肌和脂肪组织摄取葡萄糖，并减少肝脏糖异生和糖原分解。胰岛素还参与骨骼代谢中的蛋白质代谢和脂肪组织中的脂质存储。最近，科学家发现大脑也是胰岛素的靶组织。胰岛素信号传导具有许多复杂的分支，并且每个分支都可以表现出一种生理功能。Akt的磷酸化参与了大多数胰岛素信号传导途径，因此我们通常将p-AKT的水平视为胰岛素敏感性的标志。

      胰岛素抵抗是T2DM的重要发病机制之一。胰岛素抵抗还参与了妊娠糖尿病（GDM）和阿尔茨海默氏病的发展。胰岛素抵抗是指胰岛素对靶组织的生物学作用的损害，例如促进葡萄糖摄取和抑制脂肪细胞和骨骼肌细胞中糖原分解的能力。除葡萄糖代谢外，胰岛素还参与蛋白质和脂质代谢。实际上，我们通常将胰岛素对葡萄糖代谢的影响定义为胰岛素抵抗。当人体发生胰岛素抵抗时，胰岛素的代偿性分泌会引起高胰岛素血症，从而导致一系列病理生理变化，例如胰岛功能受损，营养消耗增加和高脂血症，心血管损害，最终导致多种代谢性疾病和糖尿病性心肌病。有几种确定胰岛素抵抗的方法，例如高胰岛素血症性正常血糖钳夹，口服葡萄糖耐量试验（OGTT）和胰岛素抵抗稳态模型评估（HOMA-IR）。

      在导致胰岛素抵抗的所有原因中，肥胖是胰岛素抵抗的最重要原因之一。肥胖的迹象是脂肪组织的扩张，这主要反映在皮下脂肪组织的增加上。皮下脂肪组织是人类最大的脂肪组织仓库，也是储存多余脂肪的首选场所。但是，皮下脂肪组织的扩张能力受到限制。当脂质的储存量超过极限时，脂质会储存在其他代谢性更强的异位组织中，例如肝脏和骨骼肌。脂肪组织可以储存甘油三酸酯并释放出游离脂肪酸和甘油。游离脂肪酸可导致胰岛素不敏感。白色脂肪组织在存储脂肪酸中起着最重要的作用。通过增加脂质合成或限制脂解作用，白色脂肪细胞可储存脂质，以防止有毒脂质在肝脏和骨骼肌中蓄积。一项研究表明，肥胖人的白色脂肪组织中储存的脂肪百分比显着下降，这是因为促进了非脂肪组织中脂质的储存。

       相比之下，棕色/米色脂肪细胞在直接摄取葡萄糖时有活性，这是对β-肾上腺素信号传导和胰岛素的反应，从而增加了能量消耗。肥胖对每种类型的脂肪细胞的功能都有不利影响，导致胰岛素抵抗。脂肪组织除了具有储存脂肪的功能外，它也是非常重要的内分泌器官。脂肪因子是脂肪细胞分泌的激素的总称，分为两组，分别促进胰岛素作用或抑制胰岛素作用。瘦素和脂联素是增加胰岛素敏感性的脂肪因子。脂肪组织可以释放肿瘤坏死因子-α（TNF-α）和白细胞介素-6（IL-6）作为抑制性脂肪因子，从而抑制胰岛素的作用。在肥胖者的脂肪组织扩张过程中，脂肪组织产生慢性炎症，许多M1巨噬细胞被募集到脂肪组织中并产生炎症因子。这些炎性因子导致脂肪组织中的胰岛素抵抗，并作用于其他组织以诱导胰岛素抵抗。总而言之，脂肪器官功能障碍是胰岛素抵抗发展的关键原因。

肥胖相关胰岛素抵抗的外泌体

       肥胖是胰岛素抵抗的最重要危险因素，但具体发病机制有待进一步研究。最近，已证明外泌体在细胞之间起着沟通者的作用。外泌体包含许多种类的物质，它们可以影响受体细胞的功能。外泌体参与了许多疾病的发展过程，例如肝脏和肾脏疾病。同时，已经研究了外泌体在胰岛素抵抗中的作用，许多研究集中于外泌体在肥胖症相关的胰岛素抵抗中的作用。

脂肪组织外泌体在肥胖相关胰岛素抵抗中的作用

       由于脂肪组织在胰岛素抵抗中起关键作用，因此脂肪组织分泌的外泌体可能是该过程中的一种媒介。脂肪组织的慢性炎症是胰岛素抵抗发展中特别重要的诱发因素，并且慢性炎症表现为巨噬细胞浸润。近年来，对脂肪组织中脂肪组织慢性炎症的外来体的研究已经引起人们的兴趣（图2）。研究发现发现小鼠脂肪组织分泌的外泌体（肥胖模型）通过TLR4 / TRIF途径诱导巨噬细胞的活化，并且这些外泌体中的视黄醇结合蛋白4（RBP4）在巨噬细胞的诱导中发挥了作用激活。此外，肥胖相关的外泌体将巨噬细胞归巢于肝脏和脂肪组织，其中巨噬细胞分泌TNF-α和IL-6，从而导致胰岛素抵抗。他们还证实了外泌体介导的巨噬细胞损害了心肌细胞的胰岛素作用。这是首次发现外来体在肥胖相关的巨噬细胞介导的胰岛素抵抗中的作用的研究。如胰岛素抵抗脂肪细胞外泌体（IRADEs）的声波刺猬（Shh）是通过Ptch / PI3K信号介导M1巨噬细胞极化的关键调节因子。他们发现IRADE处理的巨噬细胞的外泌体可能通过降低胰岛素受体底物1（IRS-1）和激素敏感性脂肪酶（HSL）的表达来促进脂肪组织中的胰岛素抵抗。

        肥胖小鼠的脂肪组织巨噬细胞（ATM）来源的外泌体诱导了胰岛素抵抗。但是，来自瘦ATM的外泌体在不改变小鼠体重的情况下减轻了肥胖小鼠的胰岛素抵抗。作者揭示了通过靶向过氧化物酶体增殖物激活的受体γ（PPARγ），ATM衍生的外来体在调节胰岛素敏感性中的关键作用是miR-155。此外，与肥胖的野生型小鼠对照组相比，miR-155基因敲除小鼠对胰岛素的敏感性要高得多。但是，外泌体不能影响胰岛素依赖性葡萄糖的摄取。同样，研究证实，与脂肪组织相关的巨噬细胞极化在胰岛素抵抗中非常重要。脂肪细胞分泌的外泌体miR-34a通过靶向类Krüppel样因子4（Klf4）抑制M2巨噬细胞极化，从而促进M2巨噬细胞极化和单核细胞分化。肥胖受试者的内脏脂肪中miR-34a / Klf4轴的改变与胰岛素抵抗密切相关。简而言之，来自脂肪细胞的外泌体可以增加M1巨噬细胞，后者会分泌炎症性细胞因子，从而导致胰岛素抵抗。除炎症因素外，ATM还会分泌外来体来调节胰岛素敏感性。此外，巨噬细胞的外来体可以调节脂肪细胞的代谢。脂肪细胞来源的外来体也降低了M2巨噬细胞的水平，这是一种抑制炎症的细胞。

       除了参与脂肪组织中炎症诱导的胰岛素抵抗外，来自脂肪细胞的外泌体还与其他器官发生串扰，从而诱发肥胖相关的胰岛素抵抗（图2）。 Mleczko等人认为，由于脂肪组织的扩张可能导致肥胖中的局部组织缺氧和炎症。揭示低氧脂肪细胞的外泌体通过减少AKT的磷酸化而损害胰岛素刺激的葡萄糖摄取。肥胖女性血浆中的外泌体可以减少胰岛素刺激的葡萄糖转运。有趣的是，可以通过在细胞处理之前将缺氧性外泌体制剂加热至40°C 30分钟来恢复外泌体的抑制作用。由于缺氧对葡萄糖转运的影响是不耐热的，因此作者猜测酶活性可能是这种作用的原因。研究发现低氧的3T3L1脂肪细胞中存在电动汽车中存在的PTEN，一种蛋白质磷酸酶，可减少AKT的磷酸化。但是，他们没有找到确切的分子机制。胃旁路减肥手术不仅可以减轻体重和胰岛素抵抗，而且可以改变从外周血中分离出来的循环脂肪细胞外泌体的微小RNA含量。在外泌体改变的微小RNA中，有29种与胰岛素抵抗相关的微小RNA在手术后发生了改变。同样，靶向78个mRNA的48个microRNA与支链氨基酸水平显着相关，而支链氨基酸水平与胰岛素失调有关。这些研究表明，来自脂肪细胞的外泌体可能在远处的器官中起作用，并参与与肥胖有关的胰岛素抵抗。

脂肪组织以外的组织衍生的外泌体在肥胖相关的胰岛素抵抗中的作用

       在肥胖症中，其他器官也可能产生与胰岛素抵抗相关的外泌体（图2）。 如肝外泌体的miR-130a-3p通过靶向脂肪细胞参与脂质和葡萄糖的代谢。在HFD诱导的小鼠中，与miR-130a-3p过表达和野生型小鼠相比，miR-130a-3p敲除小鼠具有最高的血脂指数和更高的血糖水平。肝脏外泌体来源的miR-130a-3p主要通过在蛋白质水平上下调脂肪酸合成酶（FASN）和PPARγ的表达来抑制脂肪形成。此外，miR-130a-3p可以靶向富含PH结构域的亮氨酸重复蛋白磷酸酶2（PHLPP2），增加p-AKT和p-AS160的水平，并最终促进GLUT4的转运。作为胰岛素分泌器官，胰岛也参与调节胰岛素敏感性。如胰腺β细胞miR-26a改善了胰岛素敏感性并保留了β细胞功能。。

研究证实，高脂饮食（HFD）诱导的肠道微生物产生的外泌体可能会在体内和体外损害胰岛素信号和葡萄糖代谢。他们观察到HFD改变了肠道中的细菌。然而，肠道细菌并未通过肠道渗透到其他器官，但是源自肠道微生物的外泌体通过渗透肠道屏障并靶向其他器官而引起了胰岛素抵抗。

最重要的是，胰岛素抵抗是一种复杂的病理状态，会影响各个器官。此外，外来体在肥胖相关胰岛素抵抗的发生中起关键作用。最重要的是，表1中显示了外泌体内容物的功能。

外泌体作为胰岛素抵抗的生物标志物

         OGTT和HOMA-IR可用于测试胰岛素抵抗，尽管高胰岛素血症的正常血糖钳被认为是诊断胰岛素抵抗的金标准。但是，它不能用作常规测试。最近，已经发现了许多胰岛素抵抗的生物标志物。脂肪因子可被视为胰岛素抵抗的生物标志物，包括脂联素，RBP4，凯莫瑞和脂肪细胞脂肪酸结合蛋白（A-FABP）。已发现成纤维细胞生长因子21和胎球蛋白A作为胰岛素抵抗的生物标记物。肌动蛋白如IL-6，虹膜素和肌生成抑制素可作为胰岛素抵抗的生物标记物。

        外泌体的释放取决于人体的状态。外泌体可以保护物质免受脂质双层膜的降解。外泌体存在于各种体液中，例如血浆，唾液，母乳，汗液，眼泪和尿液。因此，外泌体可以很容易地从体液中获得。据报道，外泌体在许多疾病中对液体活检具有重要意义，例如乳腺癌，肝细胞癌，前列腺癌，骨关节炎和动脉粥样硬化。同样，将外泌体用于胰岛素抵抗的早期诊断是一种有前途的方法。外泌体将是最有前途的体液活检。如表2所示，某些潜在的外泌体生物标记物可用于追踪胰岛素抵抗。

间充质干细胞衍生的胰岛素抵抗。

         间充质干细胞（MSC）是可以自我更新的多能细胞，包括人脐带间充质干细胞，骨髓间充质干细胞和脂肪来源的干细胞。例如肝脏疾病。多发性硬化症，白血病和糖尿病性视网膜病变。然而，干细胞移植是否有助于肿瘤的出现仍是未知的。已经发现干细胞通过旁分泌机制对组织驻留受体细胞有影响。

       研究发现人脐带间充质干细胞（hucMSC-ex）的外泌体可能对T2DM有治疗作用。他们发现注射hucMSC-ex可以显着改善T2DM大鼠的高血糖症。 HucMSC-ex可以通过增加p-IRS-1和p-AKT的激活并抑制促炎性细胞因子的分泌来增加胰岛素敏感性，这可以抑制胰岛素信号通路的激活。这些外泌体可以通过影响GLUT4和葡萄糖代谢相关酶的膜易位，促进骨骼肌中葡萄糖的摄取和糖酵解。激活胰岛素信号后，hucMSC-ex增加了p-GSK3β和糖原合酶的表达，从而改善了肝脏中的糖原合成。此外，hucMSC-ex不仅可以促进胰岛素分泌，还可以抑制STZ诱导的β细胞凋亡。也有研究发现来自脂肪干细胞（ADSCs）的外来体被巨噬细胞吸收。此外，这些外泌体携带有活性的STAT3，可以促进巨噬细胞中精氨酸酶1的表达，从而诱导抗炎M2表型。 ADSC衍生的外来体减轻了饮食引起的肥胖症，并改善了糖耐量和胰岛素敏感性。研究发现ADSC衍生的外来体可以抑制脂肪细胞肥大并促进褐色脂肪的发生。由ADSC衍生的外来体处理的巨噬细胞可通过分泌乳酸来诱导ADSC增殖。综上所述，干细胞来源的外泌体可以通过促进胰岛素信号传导和减少与脂肪组织相关的炎症来增加胰岛素敏感性（图3）。

总结与观点

       肥胖对于胰岛素抵抗的发展非常重要。脂肪组织中的慢性炎症是肥胖症中胰岛素抵抗的主要原因，巨噬细胞对炎症的发展非常重视。外泌体作为介体，将内含物从亲代细胞传递到受体细胞，影响人类的病理生理。本文研究主要集中于肥胖相关的胰岛素抵抗。脂肪细胞来源的外泌体通过促进M1巨噬细胞极化和抑制M2巨噬细胞极化并随后刺激胰岛素抵抗而参与巨噬细胞的活化。来自活化的巨噬细胞的外来体也诱导胰岛素抵抗。此外，来源于除脂肪组织以外的组织的外泌体在肥胖相关的胰岛素抵抗中也起作用。

         外泌体可能是胰岛素抵抗的潜在诊断和治疗工具。液体活检是一项非常有价值的检查，它反映了整体身体状况。外泌体是胰岛素抵抗的潜在生物标志物，因为它可以被人体的病理生理状态改变。外泌体是一种可以保护内部分子免于降解的膜结构，我们可以使用外泌体来检测患者核酸水平的变化。随着对外泌体的深入研究，人们将更好地了解外泌体作为液体活检工具的优越性。骨髓间充质干细胞外泌体的应用已经研究了很多年。 MSC-外泌体治疗对胰岛素抵抗的作用已在几项研究中得到证实。外泌体在治疗胰岛素抵抗方面具有很大的优势。

       首先，外泌体具有其亲代细胞的生理活性，并且可以替代亲代细胞以发挥治疗作用。其次，外泌体的免疫原性较低，不会引起患者的免疫排斥反应。第三，外来体是不对生物体构成致瘤风险的囊泡结构。第四，外来体可以通过加载一些药物来治疗胰岛素抵抗。尽管目前有关外泌体对胰岛素抵抗的诊断和治疗的研究只是冰山一角。将来，我们将使用先进的技术和方法巧妙地使用外泌体来诊断和治疗胰岛素抵抗。

供稿：姝儿

审核：戴西件

排版：静静（小编）