《Journal of Functional Foods》：Wild Rice-derived exosome-like nanoparticles relieve insulin resistance in HepG2 cells
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胰岛素抵抗(IR)是2型糖尿病(T2DM)等代谢性疾病的核心病理环节，寻找安全高效的天然干预手段是当前研究热点。为解决此问题，扬州大学的研究人员首次从药食同源的谷物——菰米中提取了外泌体样纳米颗粒(WRNPs)，并利用胰岛素抵抗的HepG2细胞模型(WRNPs)展开研究。结果表明，WRNPs不仅能有效抑制α-葡萄糖苷酶活性，还能通过激活KEAP1/Nrf2/HO-1通路减轻细胞氧化应激，并通过调节IRS-1/PI3K/AKT信号通路促进糖原合成、抑制糖异生，从而显著改善肝细胞胰岛素抵抗。该研究为阐明菰米改善糖代谢的分子机制提供了新见解，也为开发基于谷物来源纳米颗粒的功能性食品或辅助治疗剂提供了理论依据。
在全球范围内，糖尿病及其并发症正日益成为严峻的公共卫生挑战，其中2型糖尿病占据了绝大多数。胰岛素抵抗，即身体细胞对正常水平的胰岛素反应迟钝，是2型糖尿病发生发展的核心“元凶”之一。它不仅导致血糖失控，还与肥胖、非酒精性脂肪肝等多种代谢性疾病紧密相连。目前，临床上常用的一些药物虽有效，但长期使用可能带来副作用或药物相互作用的风险。因此，从天然食物中寻找高效、安全的活性成分，成为科学家们孜孜以求的目标。
目光转向一种古老的谷物——菰米，它在东方已有两千多年的食用历史，甚至在《本草纲目》中就有其“止渴、解烦热”的记载。现代研究也初步证实，菰米具有降血糖、抗氧化等潜力。然而，究竟是菰米中的哪些“精华成分”在发挥作用，其背后的精密分子机制又是怎样的，一直是个未解之谜。近年来，植物来源的外泌体样纳米颗粒进入了研究视野。它们是植物细胞释放的微小囊泡，满载蛋白质、脂质等生物活性物质，具有低毒、高生物利用度的特点，在细胞间通讯和疾病干预中展现出巨大潜力。但以往的研究多集中于果蔬和药用植物，对于作为人类主食的谷物，其来源的纳米颗粒有何功能，却知之甚少。基于此，一项由扬州大学团队开展的研究，首次从菰米中成功“捕获”了这种纳米颗粒，并深入探究了它对抗胰岛素抵抗的“武功秘籍”，相关成果发表于《Journal of Functional Foods》期刊。
为了揭示菰米纳米颗粒的奥秘，研究人员运用了多项关键技术。首先，他们采用差速离心法从菰米水提物中分离纯化出外泌体样纳米颗粒。随后，利用透射电子显微镜、纳米粒度分析仪等技术对提取的颗粒进行表征，确认其形貌、大小和稳定性。接着，通过蛋白质组学和脂质组学分析，全面解析了这些纳米颗粒中所携带的蛋白质和脂质“货物”组成。在功能研究层面，团队构建了经典的胰岛素抵抗HepG2肝细胞模型，并在此模型上系统评估了菰米纳米颗粒对细胞葡萄糖摄取、糖原与脂质代谢的影响。同时，通过检测活性氧(ROS)水平、超氧化物歧化酶(SOD)、谷胱甘肽(GSH)等指标，并结合蛋白免疫印迹(Western Blot)技术，深入探究了其调节氧化应激和胰岛素信号通路的具体机制。
3.1. WRNPs的表征
研究人员成功从菰米中分离出外泌体样纳米颗粒，并命名为WRNPs。透射电镜显示它们呈椭圆形且分散均匀。纳米粒度分析表明，其平均粒径约为160.9纳米，多分散指数(PDI)较低，表明颗粒大小均一，zeta电位接近中性，这些特性符合植物外泌体样纳米颗粒的典型特征。
3.2. WRNPs的蛋白质组学分析
通过对WRNPs的蛋白质“货物”进行深度剖析，质谱技术共鉴定出745种蛋白质。分析发现，其中丰度最高的蛋白包括11S球蛋白、2S白蛋白等储存蛋白。功能注释显示，这些蛋白质广泛参与细胞代谢、应激反应等过程，并与抗氧化、碳水化合物代谢等功能密切相关。京都基因与基因组百科全书(KEGG)通路富集分析进一步揭示，这些蛋白显著富集于淀粉和蔗糖代谢、糖酵解/糖异生等碳水化合物代谢通路，以及核糖体、氧化磷酸化等通路。
3.3. WRNPs的脂质组学分析
脂质是构成纳米颗粒膜结构并参与其功能的重要成分。脂质组学分析在WRNPs中共鉴定出26个脂质亚类。其中，鞘脂（主要是鞘氨醇）含量最为丰富，占总脂质的近一半。其次是甾醇酯、甘油磷脂（如磷脂酰甘油、磷脂酰乙醇胺）和甘油脂。这些脂质成分已知与抗炎、抗氧化等生物活性相关。
3.4. WRNPs抑制α-葡萄糖苷酶活性
α-葡萄糖苷酶是负责分解碳水化合物、导致餐后血糖升高的关键酶。体外实验表明，WRNPs能够浓度依赖性地抑制该酶活性，在1600微克/毫升浓度下，其抑制率与临床常用药物阿卡波糖相当，提示WRNPs具有直接调控餐后血糖的潜力。
3.5. 建立IR-HepG2细胞模型及WRNPs的初步效应
研究采用高浓度胰岛素诱导HepG2细胞，成功建立了胰岛素抵抗细胞模型。在该模型上，WRNPs处理能显著促进胰岛素抵抗细胞的葡萄糖摄取，并在一定浓度范围内（25-100微克/毫升）提升细胞活力，初步证明了其改善胰岛素敏感性的作用。
3.6. WRNPs对IR-HepG2细胞葡萄糖代谢的影响
WRNPs处理能有效降低胰岛素抵抗细胞内的甘油三酯水平，并促进糖原合成。在分子机制上，WRNPs上调了糖酵解关键限速酶己糖激酶1(HK1)的蛋白表达，同时下调了糖异生关键限速酶磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶1(PEPCK1)的表达。这表明WRNPs通过促进葡萄糖的利用（糖酵解）和储存（糖原合成），同时抑制葡萄糖的再生（糖异生），来综合调节血糖稳态。
3.7. WRNPs对IR-HepG2细胞氧化应激水平的影响
胰岛素抵抗常伴随氧化应激。研究发现，WRNPs能显著降低胰岛素抵抗细胞内过量的活性氧(ROS)。同时，它提升了细胞内重要的抗氧化酶超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)的活性和抗氧化物质谷胱甘肽(GSH)的含量，并降低了脂质过氧化终产物丙二醛(MDA)的水平。进一步的机制研究表明，WRNPs能够抑制Kelch样ECH关联蛋白1(KEAP1)的表达，促进核因子E2相关因子2(Nrf2)及其下游靶分子血红素氧合酶-1(HO-1)的表达。这意味着WRNPs通过激活经典的KEAP1/Nrf2/HO-1抗氧化信号通路，来缓解细胞内的氧化应激。
3.8. WRNPs通过IRS-1/PI3K/AKT信号通路改善胰岛素抵抗
胰岛素信号通路传导障碍是胰岛素抵抗的核心。研究聚焦于胰岛素受体底物1(IRS-1)/磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)/蛋白激酶B(AKT)这一关键通路。结果显示，WRNPs处理抑制了IRS-1蛋白的丝氨酸磷酸化（一种通常导致胰岛素信号减敏的修饰），同时促进了PI3K和AKT的磷酸化激活，并上调了葡萄糖转运蛋白4(GLUT4)的表达。这表明WRNPs能够修复受损的胰岛素信号传导，从而增强细胞对胰岛素的反应性。
综上所述，本研究首次从菰米中分离出外泌体样纳米颗粒(WRNPs)，并通过系统的体外研究揭示其改善胰岛素抵抗的多重机制。结论表明，WRNPs是一个富含特定蛋白质和脂质的活性载体。其改善胰岛素抵抗的功效主要通过“双管齐下”的方式实现：一方面，通过激活KEAP1/Nrf2/HO-1通路，增强细胞的抗氧化防御能力，减轻氧化应激对胰岛素信号的干扰；另一方面，通过调节IRS-1/PI3K/AKT胰岛素信号通路，促进糖酵解和糖原合成，抑制糖异生，从而有效恢复葡萄糖代谢平衡。此外，WRNPs还具有直接抑制α-葡萄糖苷酶的降糖潜力。
这项研究的意义重大。它不仅首次阐明了菰米这种传统药食资源通过其纳米级活性成分发挥降糖作用的具体分子路径，将对其功效的认识从宏观膳食层面推进至纳米颗粒和分子机制层面，而且为“药食同源”理论提供了现代科学注解。更重要的是，该研究将谷物来源的外泌体样纳米颗粒引入改善代谢性疾病的视野，拓展了植物纳米颗粒的研究范畴，为开发基于天然谷物、具有精准营养干预作用的功能性食品或膳食补充剂提供了重要的理论依据和新的研发方向。未来，进一步鉴定WRNPs中发挥核心作用的特定活性分子，并开展动物体内实验验证，将推动这一发现向实际应用迈进。
