Exosomes from human mesenchymal stem cells conduct aerobic metabolism in term and preterm newborn infants

來自人類間充質(zhì)干細(xì)胞的外泌體在足月和早產(chǎn)新生兒中執(zhí)行有氧代謝

來源：The FASEB Journal, Volume 30, April 2016, Pages 1416-1424

《美國實(shí)驗(yàn)生物學(xué)聯(lián)合會(huì)雜志》，第30卷，2016年4月，頁碼1416-1424

 

摘要：

這篇論文的摘要指出，外泌體是分泌性納米囊泡，能夠轉(zhuǎn)移RNA和蛋白質(zhì)到靶細(xì)胞。研究評(píng)估了人類間充質(zhì)干細(xì)胞（MSC）外泌體是否具有線粒體外有氧呼吸能力。外泌體從足月（≥37周）和早產(chǎn)（28-30周）新生兒臍帶MSC中分離，通過細(xì)胞熒光術(shù)、Western blot、氧測(cè)定法和發(fā)光/熒光分析進(jìn)行評(píng)估。結(jié)果顯示，MSC外泌體表達(dá)功能性呼吸復(fù)合物I、IV和V，消耗氧氣，但ATP合成僅在足月新生兒外泌體中可檢測(cè)到，表明早產(chǎn)外泌體的有氧代謝機(jī)制不完整?；顒?dòng)是外向的，與線粒體類似。這揭示了外泌體具有獨(dú)立于線粒體的有氧呼吸能力，可能與其修復(fù)細(xì)胞生物能量學(xué)的能力相關(guān)，并解釋了早產(chǎn)新生兒的臨床脆弱性。

 

研究目的：

研究目的是驗(yàn)證人類MSC外泌體是否具有線粒體外有氧呼吸能力，特別是評(píng)估其在足月和早產(chǎn)新生兒中的差異，以理解外泌體在修復(fù)受損細(xì)胞生物能量學(xué)中的作用，并探討早產(chǎn)新生兒代謝不成熟的機(jī)制。

 

研究思路：

研究思路包括從足月和早產(chǎn)新生兒臍帶中分離和擴(kuò)增MSC，然后從MSC培養(yǎng)上清液中分離外泌體，通過動(dòng)態(tài)光散射和流式細(xì)胞術(shù)表征外泌體大小和標(biāo)記物（如CD9、CD63）。使用多種方法評(píng)估氧化磷酸化能力：Western blot分析呼吸復(fù)合物蛋白表達(dá)、丹麥Unisense微呼吸電極測(cè)量氧消耗、發(fā)光法測(cè)量ATP合成、熒光法評(píng)估膜電位，以及電子傳遞鏈復(fù)合物活性測(cè)定。比較足月和早產(chǎn)外泌體與線粒體的數(shù)據(jù)，以確定代謝差異。

 

測(cè)量的數(shù)據(jù)及研究意義：

1. 氧消耗率：通過丹麥Unisense電極測(cè)量，數(shù)據(jù)顯示外泌體在NADH和琥珀酸存在下消耗氧氣，早產(chǎn)外泌體的氧消耗低于足月外泌體。數(shù)據(jù)來自圖3和表1。研究意義是證明外泌體具有功能性電子傳遞鏈，支持線粒體外氧化磷酸化概念，并顯示早產(chǎn)外泌體呼吸能力不成熟。

 

 

2. ATP合成：通過發(fā)光法測(cè)量，結(jié)果顯示僅足月外泌體和線粒體能合成ATP，早產(chǎn)外泌體不能。數(shù)據(jù)來自圖3D。研究意義是表明外泌體有氧代謝需要耦合機(jī)制，早產(chǎn)外泌體可能因未成熟而缺乏ATP生產(chǎn)能力，這與其修復(fù)能力相關(guān)。

3. 電子傳遞復(fù)合物I和III活性：通過細(xì)胞色素c還原測(cè)定，顯示足月外泌體活性高于早產(chǎn)。數(shù)據(jù)來自圖3E。研究意義是確認(rèn)外泌體呼吸鏈的功能完整性，強(qiáng)調(diào)成熟度影響電子傳遞效率。

4. 膜電位：使用Mitotracker 633熒光染料評(píng)估，顯示外泌體有膜電位，足月外泌體類似線粒體，早產(chǎn)較低。數(shù)據(jù)來自圖4（文本中提及）。研究意義是表明外泌體能建立質(zhì)子梯度，為ATP合成提供驅(qū)動(dòng)力，但早產(chǎn)外泌體梯度較弱，影響能量生產(chǎn)。

 

5. 呼吸復(fù)合物蛋白表達(dá)：通過Western blot分析，顯示外泌體表達(dá)ND4L（復(fù)合物I）、COX IV（復(fù)合物IV）和ATP synthase β亞基，足月外泌體表達(dá)更高。數(shù)據(jù)來自圖5。研究意義是證明外泌體含有與線粒體相同的氧化磷酸化蛋白，支持其呼吸能力源于類似機(jī)制。

 

 

結(jié)論：

論文得出結(jié)論，人類MSC外泌體具有先前未知的有氧呼吸能力，能消耗氧氣并潛在合成ATP，但足月和早產(chǎn)外泌體存在差異：足月外泌體具有完整的氧化磷酸化耦合，而早產(chǎn)外泌體呼吸機(jī)制不成熟，無法產(chǎn)生ATP。這解釋了外泌體在修復(fù)受損組織生物能量學(xué)中的作用，并暗示早產(chǎn)新生兒代謝脆弱性可能源于外泌體功能不全。研究支持外泌體作為線粒體外氧化磷酸化載體，對(duì)再生醫(yī)學(xué)有潛在意義。

 

使用丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義：

使用丹麥Unisense微呼吸電極測(cè)量的氧消耗數(shù)據(jù)具有重要研究意義。這些數(shù)據(jù)直接顯示外泌體在添加NADH或琥珀酸后氧氣消耗增加，并被呼吸抑制劑（如魚藤酮和抗霉素A）抑制，證實(shí)外泌體具有功能性電子傳遞鏈活動(dòng)。測(cè)量意義在于提供了外泌體進(jìn)行線粒體外有氧呼吸的直接證據(jù)，挑戰(zhàn)了氧化磷酸化僅限于線粒體的傳統(tǒng)觀點(diǎn)。此外，數(shù)據(jù)比較足月和早產(chǎn)外泌體，顯示早產(chǎn)外泌體氧消耗較低，表明其呼吸機(jī)制發(fā)育不全，這有助于解釋早產(chǎn)新生兒在應(yīng)對(duì)缺氧環(huán)境時(shí)的臨床脆弱性，并為開發(fā)基于外泌體的療法提供了生物能量學(xué)基礎(chǔ)。