少糖的理由＋1，新研究表明：高糖環(huán)境不利于肌肉修復(fù)和維持

子豪 2021-04-12 13:35:48 來源：量子位

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葡萄糖，一直被認(rèn)為是細(xì)胞增殖的主要能量源，從而能對肌肉修復(fù)起到促進(jìn)作用。

然而，最新研究卻發(fā)現(xiàn)，低葡萄糖更有利于肌肉修復(fù)。

肌肉修復(fù)，是通過肌肉干細(xì)胞的繁殖來實(shí)現(xiàn)的，這種干細(xì)胞叫做衛(wèi)星細(xì)胞。

當(dāng)肌纖維細(xì)胞受損時(shí)，骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞會進(jìn)行繁殖，并與肌纖維細(xì)胞融合，這對修復(fù)肌肉和維持肌肉質(zhì)量都十分重要。

最新研究表明，在低葡萄糖環(huán)境中，骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞的增殖能力更好。

△在高糖和低糖環(huán)境下，衛(wèi)星細(xì)胞增殖能力示意圖

來自東京都立大學(xué)的團(tuán)隊(duì)，采用多個(gè)指標(biāo)進(jìn)行了對比分析。

原代衛(wèi)星細(xì)胞的增殖

研究團(tuán)隊(duì)分別使用了兩種不同葡萄糖濃度、包含30％FBS（一種取自牛胚胎的血清）的培養(yǎng)基進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，高濃度和低濃度值分別為19mM和2mM。

一般來說，人的空腹血糖不高于6.1mM；重度糖尿病患者的血糖水平在11.1mM以上。

通過對原代衛(wèi)星細(xì)胞的增殖情況進(jìn)行觀察和統(tǒng)計(jì)，研究人員發(fā)現(xiàn)，在培養(yǎng)的第6天，不同葡萄糖濃度下的細(xì)胞數(shù)量呈現(xiàn)出顯著差異：

△在兩種葡萄糖培養(yǎng)基中原代衛(wèi)星細(xì)胞的增殖

團(tuán)隊(duì)還使用熒光分析，觀察Ki67（細(xì)胞增殖標(biāo)志物）陽性細(xì)胞所占比例，以及使用免疫印跡法分析Ki67蛋白的表達(dá)水平：

△Ki67陽性細(xì)胞觀察、Ki67蛋白表達(dá)的蛋白質(zhì)印跡

結(jié)果顯示，二者在低糖環(huán)境中的值均高于高糖環(huán)境：

△Ki67陽性細(xì)胞占比、蛋白質(zhì)印跡分析結(jié)果

此外，利用EdU脈沖追蹤測定的結(jié)果表明：低葡萄糖培養(yǎng)基中生長的衛(wèi)星細(xì)胞，具有更高的EdU陽性細(xì)胞數(shù)量。

△EdU +衛(wèi)星細(xì)胞的代表性圖像

這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都指向同一結(jié)論：低葡萄糖培養(yǎng)基能促進(jìn)衛(wèi)星細(xì)胞增殖。

細(xì)胞及衍生細(xì)胞的活性

由于細(xì)胞數(shù)量可能受到細(xì)胞活力、細(xì)胞死亡的影響，于是研究團(tuán)隊(duì)使用TUNEL分析法，對衛(wèi)星細(xì)胞凋亡情況進(jìn)行了評估：

從圖中可以看到，凋亡細(xì)胞的百分比在低葡萄糖培養(yǎng)基中更低，這表明低葡萄糖能減少細(xì)胞損傷，并維持細(xì)胞活力。

不僅如此，衍生的成肌細(xì)胞在培養(yǎng)后，能融合并表達(dá)MHC蛋白，這證明了它們還具有分化能力。

衛(wèi)星細(xì)胞的成肌狀態(tài)

通過對Pax7（重要轉(zhuǎn)錄因子）、MyoD（主要的生肌決定因子）和肌生成素（分化標(biāo)志）進(jìn)行標(biāo)記和觀察，研究人員發(fā)現(xiàn)：

無論是細(xì)胞總數(shù)，還是每種成肌狀態(tài)的細(xì)胞數(shù)量，在低糖環(huán)境中的值都明顯更高。

而且，低糖培養(yǎng)基中Pax7+/MyoD-細(xì)胞的百分比較高，這表明自我更新的衛(wèi)星細(xì)胞，在體外低糖條件下能更好地存活。

抑制非肌原性細(xì)胞的增長

此外，研究人員還觀察到，大多數(shù)細(xì)胞都被非肌肉細(xì)胞污染（藍(lán)色），而分化的肌肉細(xì)胞的標(biāo)志——α-肌動蛋白（綠色）只有少量：

在高葡萄糖（19mM）培養(yǎng)基中，最終衛(wèi)星細(xì)胞的培養(yǎng)總是呈現(xiàn)混合物的形式，這是由于樣品中其他類型的細(xì)胞也在繁殖。

而在低葡萄糖（2mM）培養(yǎng)基中，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星細(xì)胞增殖的同時(shí)，其他類型的細(xì)胞被抑制增殖。

從而為骨骼肌細(xì)胞在各種環(huán)境中的研究，提供了重要前提——純凈的培養(yǎng)物。

葡萄糖之外的能量來源

研究人員還添加了葡萄糖氧化酶，使培養(yǎng)基達(dá)到超低葡萄糖水平（0.1mM），出乎意料的是，衛(wèi)星細(xì)胞仍然能夠正常增殖，并且與低葡萄糖培養(yǎng)基的細(xì)胞數(shù)相近：

這表明衛(wèi)星細(xì)胞增殖有其他能量源。

由于低葡萄糖可能會降低細(xì)胞的能量水平，因此生物能量代謝調(diào)節(jié)的關(guān)鍵分子——AMP激活的蛋白激酶（AMPK），可能在細(xì)胞增殖中起了作用。

為此，研究人員進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：AMPK的激活在低葡萄糖條件下，不會促進(jìn)細(xì)胞增殖。

因?yàn)镕BS本身對細(xì)胞存活至關(guān)重要，由此推斷，氨基酸、脂質(zhì)和乳酸可能是替代能量源。

結(jié)論

根據(jù)先前的研究，AMPK的衛(wèi)星細(xì)胞特異性缺失，會降低肌肉再生過程中衛(wèi)星細(xì)胞的增殖和成肌能力。

這就意味著，AMPK可能通過響應(yīng)葡萄糖濃度，促進(jìn)衛(wèi)星細(xì)胞增殖。

但是實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在有限的葡萄糖條件下，AMPK可能不參與促進(jìn)細(xì)胞增殖。

更重要的是，研究表明，在貼壁培養(yǎng)條件下，當(dāng)葡萄糖濃度高于8mM時(shí)，衛(wèi)星細(xì)胞的增殖受到抑制。

因此研究人員認(rèn)為，糖尿病患者肌肉萎縮，可能就是由高血糖導(dǎo)致的衛(wèi)星細(xì)胞功能障礙引起的。

這一研究對如何維持肌肉健康有重要意義，至于低葡萄糖調(diào)節(jié)衛(wèi)星細(xì)胞增殖的機(jī)制，仍需進(jìn)一步研究。

參考鏈接：
[1]https://www.eurekalert.org/pub_releases/2021-04/tmu-lsp033021.php
[2]https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7957019/
[3]https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fcell.2021.640399/full