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

來自人類間充質干細胞的外泌體在足月和早產新生兒中執行有氧代謝

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

《美國實驗生物學聯合會雜志》，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，能夠轉移RNA和蛋白質到靶細胞。研究評估了人類間充質干細胞（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（28-30周）新生兒臍帶MSC中分離，通過細胞熒光術、Western blot、氧測定法和發光/熒光分析進行評估。結果顯示，MSC外泌體表達功能性呼吸復合物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到，表明早產外泌體的有氧代謝機制不完整。活動是外向的，與線粒體類似。這揭示了外泌體具有獨立于線粒體的有氧呼吸能力，可能與其修復細胞生物能量學的能力相關，并解釋了早產新生兒的臨床脆弱性。

 

研究目的：

研究目的是驗證人類MSC外泌體是否具有線粒體外有氧呼吸能力，特別是評估其在足月和早產新生兒中的差異，以理解外泌體在修復受損細胞生物能量學中的作用，并探討早產新生兒代謝不成熟的機制。

 

研究思路：

研究思路包括從足月和早產新生兒臍帶中分離和擴增MSC，然后從MSC培養上清液中分離外泌體，通過動態光散射和流式細胞術表征外泌體大小和標記物（如CD9、CD63）。使用多種方法評估氧化磷酸化能力：Western blot分析呼吸復合物蛋白表達、丹麥Unisense微呼吸電極測量氧消耗、發光法測量ATP合成、熒光法評估膜電位，以及電子傳遞鏈復合物活性測定。比較足月和早產外泌體與線粒體的數據，以確定代謝差異。

 

測量的數據及研究意義：

1. 氧消耗率：通過丹麥Unisense電極測量，數據顯示外泌體在NADH和琥珀酸存在下消耗氧氣，早產外泌體的氧消耗低于足月外泌體。數據來自圖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，并顯示早產外泌體呼吸能力不成熟。

 

 

2. ATP合成：通過發光法測量，結果顯示僅足月外泌體和線粒體能合成ATP，早產外泌體不能。數據來自圖3D。研究意義是表明外泌體有氧代謝需要耦合機制，早產外泌體可能因未成熟而缺乏ATP生產能力，這與其修復能力相關。

3. 電子傳遞復合物I和III活性：通過細胞色素c還原測定，顯示足月外泌體活性高于早產。數據來自圖3E。研究意義是確認外泌體呼吸鏈的功能完整性，強調成熟度影響電子傳遞效率。

4. 膜電位：使用Mitotracker 633熒光染料評估，顯示外泌體有膜電位，足月外泌體類似線粒體，早產較低。數據來自圖4（文本中提及）。研究意義是表明外泌體能建立質子梯度，為ATP合成提供驅動力，但早產外泌體梯度較弱，影響能量生產。

 

5. 呼吸復合物蛋白表達：通過Western blot分析，顯示外泌體表達ND4L（復合物I）、COX IV（復合物IV）和ATP synthase β亞基，足月外泌體表達更高。數據來自圖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制。

 

 

結論：

論文得出結論，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，而早產外泌體呼吸機制不成熟，無法產生ATP。這解釋了外泌體在修復受損組織生物能量學中的作用，并暗示早產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，對再生醫學有潛在意義。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義：

使用丹麥Unisense微呼吸電極測量的氧消耗數據具有重要研究意義。這些數據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，證實外泌體具有功能性電子傳遞鏈活動。測量意義在于提供了外泌體進行線粒體外有氧呼吸的直接證據，挑戰了氧化磷酸化僅限于線粒體的傳統觀點。此外，數據比較足月和早產外泌體，顯示早產外泌體氧消耗較低，表明其呼吸機制發育不全，這有助于解釋早產新生兒在應對缺氧環境時的臨床脆弱性，并為開發基于外泌體的療法提供了生物能量學基礎。