肥胖肺中基质组全局变化与成纤维基质及过早衰老相关联

为解决肥胖如何影响肺部微环境及功能的问题，研究人员开展多组学与功能实验，揭示肥胖导致肺基质组重塑、弹性纤维结构改变及蛋白酶抑制剂减少，肺成纤维细胞脂质积累、活化并收缩性增强，呈现早衰特征，表明营养过剩可能通过促进肺部早衰而损害肺健康。

　　

肥胖已成为全球性的健康问题，与多种疾病风险增加相关，包括心血管疾病、糖尿病和癌症。尽管肥胖与肺部疾病如哮喘、COVID-19不良结局和肺纤维化的关联已被注意到，但肥胖在肺部疾病进展中的具体作用仍不明确。更令人困惑的是，存在所谓的“肥胖悖论”，即肥胖在某些情况下似乎对疾病死亡率有保护作用。这种矛盾现象凸显了需要更深入理解肥胖对肺部微环境及其功能的影响。近年来，研究表明肥胖时脂质会在肺部沉积，但这一过程如何影响肺部结构和功能尚不清楚。此外，肺部的间质细胞，特别是成纤维细胞，在免疫调节和结构支持中扮演关键角色，并在肺纤维化和感染性疾病中发生改变，但它们对肥胖的反应仍未得到充分探索。

为了回答这些问题，Sophia Rottmann等研究人员在《Cell Reports》上发表了他们的研究成果，通过多组学方法和功能实验，详细描绘了肥胖肺部发生的分子和结构变化，并揭示了这些变化与过早衰老之间的惊人联系。

研究人员为开展本研究，主要应用了以下关键技术方法：使用高脂饮食(HFD)诱导的小鼠肥胖模型；液相色谱-串联质谱(LC-MS/MS)进行全肺组织、细胞外基质(ECM)和支气管肺泡灌洗液(BALF)的蛋白质组学分析，包括定量去垢剂溶解度分析(QDSP)；单细胞RNA测序(scRNA-seq)分析肺成纤维基质细胞(FSCs)的转录组；组织化学染色（如Sirius red、Elastica、OilRedO）和共聚焦显微镜观察肺组织结构与脂质分布；流式细胞术分析和免疫磁珠分选(MACS)分离肺细胞群体；体外人类肺成纤维细胞收缩实验模拟脂质影响。

RESULTS

Proteomic analysis of total lung tissue reveals three main pathway alterations in obesity

通过对喂食正常饮食(NC)或高脂饮食(HFD)16周的小鼠肺组织进行蛋白质组学分析，研究发现肥胖肺部的三酰甘油(TAG)含量显著增加。主成分分析(PCA)显示样品按溶解性和饮食条件分离。差异表达蛋白主要富集于三个通路：脂质代谢、细胞外基质(ECM)和细胞收缩性。例如，ACOT2、APOA4、FABP3、CPT1A等脂代谢相关蛋白上调。

Obesity is associated with matrisome changes in the lung

利用QDSP技术深入分析ECM（基质组），发现肥胖肺中虽总胶原含量无显著变化，但多种基质组蛋白的溶解度发生改变。49种基质组蛋白的溶解度发生变化，其中27种变得更不溶，22种变得更易溶。核心基质蛋白如COL18A1、COL12A1和COL28A1溶解度降低，表明与ECM网络的相互作用更紧密。参与胶原组装和修饰的蛋白（如PLOD1、FMOD）其溶解度也发生改变。基底膜相关的Fraser综合征复合体（FRAS1, FREM1, FREM2）变得更容易溶解，提示上皮基底膜与下方结缔组织的连接发生了改变。

Elastic fiber network shows structural changes in obesity

对弹性纤维网络的分析显示，其关键组分（如FBLN5、EFEMP2）的丰度和溶解度在肥胖肺中发生变化。Elastica染色结合图像定量分析揭示，肺泡区和支气管周围的弹性纤维总长度、端点、分支点减少，而空隙率(Lacunarity)和分形维数(Fractal dimension)增加，表明弹性纤维网络的结构遭到破坏，变得更为碎片化和无序。这提示肥胖肺的机械顺应性可能发生改变。

Imbalance in matrisome-associated protease inhibitors in obese lung and bronchoalveolar lavage fluid

研究发现，重要的丝氨酸蛋白酶抑制剂（Serpins），如SERPINA1E和SERPINA3K，在肥胖肺组织中的丰度和溶解度降低。在BALF中，SERPINA1E的丰度也显著减少。这种蛋白酶抑制剂的减少表明肺部环境更容易受到蛋白酶介导的损伤。

Matrisome changes are linked to cell-specific alterations of fibroblastic stromal compartment

流式细胞术分析显示，肥胖肺中PDGFRA⁺成纤维细胞和肌成纤维细胞(Myofibroblasts)的频率增加，活化和粘附分子（CD29, CD54）表达上调。scRNA-seq将肺FSCs分为5个亚群：Pi16⁺ 成纤维细胞、Acs1⁺ 成纤维细胞、Gas6⁺ 成纤维细胞、周细胞(Pericytes)和肌成纤维细胞(Myofibroblasts)。肥胖处理后，肌成纤维细胞比例从3.5%增加至10.5%。基因集富集分析(GSEA)表明，这些成纤维细胞亚群中与收缩性、细胞迁移、弹性纤维组装和ECM组织相关的基因表达发生显著改变。

Obesity leads to a selective accumulation of lipids in lung fibroblasts and causes altered mechanical response

OilRedO染色和LD540染料染色证实脂质在肥胖肺中沉积，且共聚焦显微镜显示脂质选择性积累在PDGFRA⁺成纤维细胞中，而非上皮细胞或免疫细胞。细胞特异性脂质组学分析进一步证实，PDGFRA⁺成纤维细胞内的总脂质和TAG含量升高。体外功能实验表明，用脂质处理人肺成纤维细胞可增强其基础收缩能力，并且对乙酰胆碱(ACh)的收缩反应更为强烈。

Obesity-related changes share features with aged lung and manifest in aging hallmarks of the fibroblastic network

将本研究的数据与已发表的衰老肺部蛋白质组数据进行比较，发现肥胖和衰老肺中有三分之一发生溶解度变化的基质组蛋白是相同的，变化方向也相似，涉及基底膜、蛋白酶抑制剂和弹性纤维组装相关蛋白。然而，衰老肺中胶原沉积（如COL14A1）增加，而肥胖肺中未见此现象；肥胖肺中细胞骨架相关蛋白的溶解度降低（表明与细胞骨架/ECM结合更紧密），而衰老肺中无此变化。在成纤维细胞中，肥胖诱导了衰老的标志性变化，如Sirtuin1和热休克蛋白（代表蛋白质稳态）表达减少，但未观察到显著的细胞衰老积累。

DISCUSSION

本研究通过整合多组学技术和功能实验，全面揭示了肥胖对肺部微环境的深远影响。研究发现，肥胖不仅引起肺部脂质代谢重编程，更重要的是导致ECM（基质组）的广泛重塑，特别是弹性纤维网络的结构性破坏和蛋白酶-抗蛋白酶系统的失衡。肺成纤维基质细胞(FSCs)是这些变化的核心响应者，它们选择性积累脂质，活化并向肌成纤维细胞分化，表现出增强的收缩性。这些改变与在衰老肺中观察到的特征显著重叠，表明营养过剩（Overnutrition）可能作为一种驱动因素，促进肺部的“早衰”（Premature Aging），从而损害其功能并增加对疾病的易感性。

本研究的意义在于：首先，它提供了对肥胖如何影响肺部健康的机制性见解，超越了传统的代谢和炎症视角，强调了ECM和机械生物学的重要性。其次，它揭示了肺成纤维细胞在感知和响应营养压力中的关键作用，及其通过改变基质产生和细胞收缩性来调节组织顺应性的能力。第三，研究将肥胖与过早衰老联系起来，为理解肥胖相关合并症（如与年龄相关的肺病）提供了一个新的框架。最后，这些发现可能对临床具有启示意义，例如，肥胖个体的肺部可能更容易受到二次损伤（如感染或环境毒素），并且对治疗的反应可能不同。未来的研究需要验证这些发现在人类中的相关性，并探索针对这些通路（如改善基质稳态或减少成纤维细胞脂质积累）是否能为肥胖相关的肺部疾病提供新的治疗策略。

研究的局限性包括使用的是小鼠模型，可能无法完全模拟人类疾病；研究聚焦于雄性小鼠和一个时间点，未能涵盖性别差异和疾病进程的动态变化；虽然大多数变化可追溯至成纤维细胞，但其他细胞类型的贡献不能完全排除；尚未在机制上直接证明已识别的基质组变化与功能 alterations 之间的因果关系。