牛乳外泌体通过调控lncRNA/mRNA表达谱改善大鼠心肌纤维化的机制研究

《Scientific Reports》：Bovine milk exosomes influence transcriptome profiles and reduce cardiac fibrosis in a rat model

本研究针对心肌纤维化缺乏有效治疗手段的临床难题，探讨了口服牛乳外泌体对异丙肾上腺素诱导的大鼠心肌纤维化的治疗作用。通过高通量转录组测序，研究人员发现牛乳外泌体可显著改善心脏功能、减轻纤维化，并鉴定出116个差异表达mRNA和141个差异表达lncRNA。功能富集分析揭示其作用机制与昼夜节律、免疫调节及细胞外基质重塑等通路密切相关，为开发基于外泌体的抗纤维化疗法提供了新的靶点和理论依据。

　　

心脏，作为人体的“发动机”，一旦受损，往往会启动一种名为“心肌纤维化”的自我修复过程。这个过程虽然初衷是好的，但常常“用力过猛”，导致心脏组织内细胞外基质（ECM）过度沉积，就像给心脏裹上了一层厚厚的“疤痕”。这层“疤痕”不仅让心脏变硬，影响其正常的收缩和舒张功能，还会挤压心肌细胞，最终导致心力衰竭，严重威胁人类健康。据统计，全球每年约有80万人死于与心肌纤维化相关的疾病，而目前临床上尚缺乏能够有效逆转或抑制心肌纤维化的特效药。

近年来，一种名为“外泌体”的微小囊泡在生物医学领域引起了广泛关注。它们是细胞分泌的纳米级“信使”，携带着蛋白质、脂质和核酸等生物活性物质，在细胞间通讯中扮演着关键角色。研究表明，外泌体具有抗炎、抗凋亡、促血管生成和抗纤维化等多种生物学功能，在心脏修复中展现出巨大的潜力。其中，牛乳来源的外泌体因其来源广泛、易于获取、口服稳定性好且生物利用度高，被视为一种极具前景的治疗候选物。此前，研究团队已证实口服牛乳外泌体能够减轻心肌纤维化并改善心脏功能，但其具体的作用机制，特别是对基因表达层面的调控，仍是一个未解之谜。

为了揭开这一神秘面纱，中南大学湘雅医院张成亮教授团队在《Scientific Reports》上发表了一项研究，他们利用高通量转录组测序技术，深入探究了口服牛乳外泌体如何通过调控长链非编码RNA（lncRNA）和信使RNA（mRNA）的表达谱，来发挥其抗心肌纤维化的作用。

关键实验方法

本研究采用异丙肾上腺素（ISO）皮下注射构建大鼠心肌纤维化模型。实验动物被随机分为两组，分别口服给予牛乳外泌体或等体积的磷酸盐缓冲液（PBS）作为对照。通过苏木精-伊红（H&E）染色和Masson三色染色评估心肌组织病理学变化及胶原沉积情况；利用超声心动图评估心脏结构和功能参数；采用Illumina HiSeq X-ten平台对左心室组织进行转录组测序，鉴定差异表达的mRNA和lncRNA；通过RT-qPCR验证测序结果的可靠性；并利用生物信息学方法进行基因本体论（GO）、京都基因与基因组百科全书（KEGG）通路富集分析、蛋白质-蛋白质相互作用（PPI）网络构建、共表达网络分析以及竞争性内源RNA（ceRNA）网络预测。

研究结果

牛乳外泌体减轻ISO诱导的大鼠心肌纤维化并改善心脏功能

组织学染色结果显示，与PBS对照组相比，口服牛乳外泌体的大鼠左心室细胞外基质沉积显著减少，细胞数量减少，胶原面积百分比降低。超声心动图分析进一步证实，牛乳外泌体治疗显著改善了心脏功能，具体表现为收缩末期容积（ESV）、舒张末期容积（EDV）、左心室收缩末期内径（LVIDs）和舒张末期内径（LVIDd）等参数向有利方向改变，同时左心室后壁厚度（LVPWs和LVPWd）、心输出量（CO）、射血分数（EF）和左心室短轴缩短率（FS）均得到显著提升。这些数据表明，牛乳外泌体能够有效减轻心肌纤维化，并促进心脏功能的恢复。

转录组测序揭示牛乳外泌体显著改变mRNA和lncRNA表达谱

研究人员对左心室组织进行了高通量转录组测序，共获得6.76亿条原始测序读长，平均比对率达到97.13%。通过差异表达分析，共鉴定出116个差异表达mRNA（DEMs），其中62个上调，54个下调；以及141个差异表达lncRNA（DELs），其中72个上调，69个下调。RT-qPCR验证结果显示，关键DEMs（如Ciart、Cd151、Per2、Per3、H3f3c、Dbp、Tnc）和DELs（如XR_001841620.1、TCONS_00025336、TCONS_00002367、TCONS_00027989、TCONS_00029872、TCONS_00036358）的表达变化与测序结果一致，证实了测序数据的可靠性。

GO和KEGG富集分析揭示关键生物学通路

对差异表达基因进行功能富集分析发现，DEMs主要富集于昼夜节律调控、细胞外基质、蛋白结合以及电压门控钾通道活性等生物学过程和分子功能。而DELs的潜在靶基因则主要富集于补体激活、泛素依赖的蛋白质分解过程以及细胞骨架等通路。KEGG通路分析显示，DEMs主要参与新霉素、卡那霉素和庆大霉素的生物合成，以及牛磺酸和亚牛磺酸代谢等通路；而DELs的靶基因则主要富集于α-亚麻酸代谢、半乳糖代谢和金黄色葡萄球菌感染等通路。这些结果提示，牛乳外泌体可能通过调控昼夜节律、免疫反应和细胞外基质重塑等多个关键通路来发挥其治疗作用。

共表达网络和ceRNA网络揭示潜在调控机制

研究人员构建了DELs与DEMs的共表达网络，发现多个lncRNA（如XR_593247.1、TCONS_00025336等）和mRNA（如Fos、Myom3等）在网络中扮演着枢纽节点的角色，表明它们之间存在紧密的调控关系。此外，通过构建竞争性内源RNA（ceRNA）网络，研究人员预测了多个核心miRNA（如miR-136-5p、miR-539-5p、miR-144-3p等），这些miRNA可能作为桥梁，介导了lncRNA对mRNA表达的调控作用。

结论与讨论

本研究通过整合组织学、功能学和转录组学分析，系统阐明了口服牛乳外泌体在治疗心肌纤维化中的分子机制。研究证实，牛乳外泌体能够通过调控lncRNA和mRNA的表达谱，影响昼夜节律、免疫调节和细胞外基质重塑等多个关键生物学过程，从而有效减轻心肌纤维化并改善心脏功能。该研究不仅为牛乳外泌体的心脏保护作用提供了新的分子证据，还揭示了lncRNA在这一过程中的潜在调控作用，为开发基于外泌体和lncRNA的靶向治疗策略提供了重要的理论依据和候选靶点。尽管本研究在机制探索上取得了重要进展，但仍存在一些局限性，例如缺乏体内功能验证实验、对lncRNA具体功能的验证不足，以及对外泌体在心脏组织中摄取量的精确量化存在挑战。未来的研究应致力于利用更精确的示踪技术、谱系追踪技术以及生物标志物检测方法，进一步验证这些调控机制，并探索其在人类心肌纤维化治疗中的转化潜力。