2型糖尿病患者肌肉變性的源頭

撰文 | 鹹姐

責編 | 兮

骨骼肌是人體的一個主要器官，占身體總重量的40%，且佔基礎代謝率的30%，負責產生機械力以實現呼吸和運動。此外，骨骼肌是葡萄糖（糖原）的主要儲存器官，也是外周胰島素刺激葡萄糖攝取的主要靶點。骨骼肌對於人體的重要性不言而喻，因此，骨骼肌的退化和肌肉質量的損失與多種疾病的發生和壽命的縮短

【1】

相關也就不足為奇了。在某些嚴重遺傳疾病或創傷性癱瘓的情況下，肌肉實質細胞會逐漸被非收縮性組織——如

細胞外基質

（

ECM

）蛋白和脂肪細胞——所取代（又稱為纖維-脂肪變性），從而導致收縮和代謝功能喪失。

過量的ECM和脂肪細胞在肝臟、腎臟、脂肪和骨骼肌等不同器官的異位沉積是許多疾病的共同致病特徵，可最終導致多器官衰竭和死亡

【2】

。衰老相關疾病，如2型糖尿病（T2DM）患者的內臟、胰腺和骨骼肌中均觀察到異位ECM和脂肪細胞過度沉積，病理性組織轉化（包括纖維-脂肪器官變性）是T2DM的特徵，多項研究發現T2DM與骨骼肌的纖維-脂肪變性密切相關。然而，與Duchenne氏肌營養不良或創傷後肌肉環境的侵略性退化不同的是，T2DM患者的肌肉纖維-脂肪變性是逐步發展的，並伴有肌肉萎縮。毫無疑問，瞭解這種病理性肌肉重塑的驅動機制是為預防T2DM患者肌肉纖維-脂肪變性提供干預措施的基礎，瞭解這些變化在何種程度上與疾病或疾病的後果有關也是至關重要的。

要了解並減少或預防骨骼肌的纖維-脂肪變性，確定纖維化和脂肪細胞的細胞來源是關鍵的第一步。十年前，兩份獨立的研究在小鼠體內鑑定出具有纖維和脂肪生成潛能的骨骼肌駐留細胞（成纖維脂肪祖細胞，

FAP

）——幹細胞抗原1陽性、CD34陽性、血小板衍生生長因子受體α（PDGFRα）陽性細胞

【3,4】

，並且其功能在這十年中在小鼠模型中得到了很好地發現與探索。然而，由於缺乏體內人FAP標記物和人類骨骼肌組織活檢的普遍缺乏，小鼠模型上的這些發現很難轉化到人類疾病中。

2021年10月21日，來自丹麥奧胡斯大學的

Niels Jessen

團隊在

Cell Metabolism

上線上發表題為

Human skeletal muscle CD90+ fibro-adipogenic progenitors are associated with muscle degeneration in type 2 diabetic patients

的文章，利用熒光啟用細胞分選（FACS）介導的分離和轉錄組分析，

從人類T2DM患者來源的活檢組織中確定了一個以THY1（CD90）的表達為標記物的FAP亞群，這些祖細胞具有增強的祖細胞潛能和膠原生成，T2DM患者骨骼肌的退行性變與這一細胞亞群的積聚有關，可以作為T2DM患者肌肉纖維-脂肪浸潤的細胞來源和治療干預的潛在靶點。

為了研究T2DM是否與骨骼肌纖維-脂肪變性有關，本文研究人員收集了年齡和超重匹配受試者（OBS）、T2DM患者（T2D）和接受胰島素治療的具有嚴重胰島素抵抗的T2DM患者（itT2D）的肌肉活檢組織。RNA測序結果顯示，除了肌肉形態失調和炎症外，在itT2D患者中，差異表達（DE）基因在與ECM轉換和重塑相關的生物過程和通路中大量富集，並且當胰島素抵抗的嚴重程度增加時，這一點尤為明顯（OBS < T2D < itT2D）。同時，對接受冠狀動脈搭橋手術的T2DM患者和非T2DM患者的骨骼肌活檢組織切片進行研究發現，與非T2DM患者相比，T2DM患者中膠原蛋白1的沉積增加。由此證實T2DM與骨骼肌生態位變性相關。

為了進一步瞭解T2DM患者骨骼肌纖維脂肪浸潤的細胞機制，研究人員試圖用FACS從人類骨骼肌（非T2DM）中分離出FAP。研究人員測試了先前用於分離小鼠FAP的間充質幹細胞和FAP標記物，包括PDGFRα、ALCAM（CD166）、CD34和THY1（CD90），儘管未從PDGFRα或CD166獲得訊號，但是分離得到了一群CD34+ CD56- CD45- CD31-的細胞，其可進一步分為CD34+ CD90-和CD34+ CD90+兩群細胞。對FACS分離的細胞群進行培養並測試其成脂、成纖維和成肌能力，結果發現在適當條件下培養5 ~ 10天，兩個CD34+細胞群 （CD90-和CD90+）可以產生脂肪細胞和膠原/α-平滑肌肌動蛋白表達細胞。根據流式資料還發現FAP（FAPCD90+和FAPCD90-組合）構成了患者來源的人類骨骼肌中單核細胞的主要比例（~40%）的細胞群，同時證明類骨骼肌FAP可能是人類骨骼肌中最具代表性的細胞群，並且可能是纖維-脂肪變性的來源。

那麼人類FAP是否具有克隆（祖細胞）潛能，以及這些潛能是否能同時產生脂肪細胞和成纖維細胞呢？實驗結果顯示，雖然與肌肉乾細胞（MuSC）相比，FAP細胞群的克隆潛力大約是其1/4，但在對單個分選的MuSC進行分化時，92%以上的克隆產生Desmin+/MyHC+成肌細胞/肌管，而FAP克隆中則超過72%含有外周脂蛋白1陽性（Perilipin-1+）脂肪細胞和膠原蛋白1陽性（Collagen1+）細胞，剩餘為非脂肪生成的Collagen1+成纖維細胞。同時，與MuSC相比，人類FAP在體內的基因表達模式完全不同，並且雖然表現為如MuSC一樣的有絲分裂失活，但不同的是FAP啟用後則顯示出緩慢進入S期的動力學狀態。由此提示人類FAP是一個在克隆性和轉錄水平上都獨一無二的細胞群。對人類肌肉進行的單細胞RNA測序也進一步證實了FAP的轉錄特性，有一群細胞表現出PDGFRA和CD34高度富集、THY1/CD90部分表達、COL1A1強表達，該群體中膠原蛋白、層粘連蛋白和其他基質相關蛋白的高表達與FACS鑑定的FAP群體一致。基於PDGFRA mRNA在分選的FAP中的富集，隨後的實驗結果證實了PDGF訊號是人類FAP細胞命運的關鍵決定因素，其以犧牲FAP的成脂肪命運為代價而促進具有成纖維潛能的FAP的擴增。將人類FAP暴露於PDGF會增加糖酵解和乳酸產生，而這與FAP的成纖維命運有關。

與此同時，研究人員發現，在FAPCD90-中上調的基因在itT2D中傾向於下調，而在itT2D中上調的基因在FAPCD90+中傾向於上調，由此提示FAPCD90+細胞可能在itT2D肌肉中觀察到的纖維-脂肪表型的發展中起核心作用。進一步地分析與實驗發現，雖然FAPCD90+細胞在體內處於失活狀態，但是與FAPCD90-相比，其進入細胞週期的傾向性增加，而這與其更大的細胞大小有關。由此提示FAPCD90+是FAP群體中的一個祖細胞亞群，為進入細胞週期並進一步啟用纖維化做好了準備，而FAPCD90-則傾向於脂肪細胞分化或具有其他基質支援功能。此外，與FAPCD90-相比，體內FAPCD90+中的PDGF訊號增加，糖酵解更強，表明FAPCD90+為與糖酵解通量增加相關的ECM產生做好了準備。

最後，研究人員利用患者（有T2DM或沒有）的肌肉活檢組織進行實驗，發現T2DM的肌肉為FAPCD90+的擴增提供了一個舒適的環境，導致了FAPCD90+的聚集及隨後的纖維-脂肪變性。那麼藥物靶向FAPCD90+是否可以防止T2DM患者肌肉中FAP的過度積累呢？答案是肯定的。研究證明幾種受體酪氨酸激酶抑制劑能有效減少小鼠FAP增殖，包括尼羅替尼和伊馬替尼，而後者與T2DM藥物二甲雙胍擁有相同的細胞膜轉運機制——藉助陽離子轉運蛋白（SLC22A1/SLC22A3）的作用。基於此，研究人員發現二甲雙胍也可以有效抑制FAPCD90+的增殖，並且體外實驗中二甲雙胍完全阻斷了FAPCD90+形成脂肪細胞的能力，並增加了膠原蛋白1的表達，而體內實驗表示，T2DM患者經過3個月的二甲雙胍治療可以降低骨骼肌FAP含量，最終減少組織纖維化。

綜上所述，

本研究發現了人類骨骼肌包含多個轉錄和功能上不同的FAP群體，其中一個特定的FAP亞群（表達CD90）是T2DM患者中觀察到的肌肉纖維-脂肪變性的關鍵介質，從而為靶向這些細胞提供了機會，最終實現對肌肉健康和功能的保護。

原文連結：

https://doi.org/10.1016/j.cmet.2021.10.001

參考文獻

1。 Srikanthan， P。， and Karlamangla， A。S。 （2014）。 Muscle mass index as a predictor of longevity in older adults。

Am. J. Med.

127， 547–553。

2。 Zhao， X。， Kwan， J。Y。Y。， et al （2020）。 Targeting metabolic dysregulation for fibrosis therapy。

Nat. Rev. Drug Discov.

19， 57–75。

3。 Joe， A。W。， Yi， L。， Natarajan， A。， et al （2010）。 Muscle injury activates resident fibro/adipogenic progenitors that facilitate myogenesis。

Nat. Cell Biol.

12， 153–163。

4。 Uezumi， A。， Fukada， S。， Yamamoto， N。， et al （2010）。 Mesenchymal progenitors distinct from satellite cells contribute to ectopic fat cell formation in skeletal muscle。

Nat. Cell Biol.

12， 143–152。