《Journal of Lipid Research》：Aerobic glycolysis drives differentiation of unilocular adipocytes
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本文研究了白色脂肪细胞单房性形态（即单个大脂滴）形成的分子机制，这一特性是白色脂肪细胞的关键特征，但在传统的二维（2D）体外培养中难以再现。研究团队利用源自同一供体的人源基质血管细胞，平行建立了二维培养、无支架三维（3D）球体和基于Matrigel支架的三维（HUVAS）培养模型。通过转录组、代谢组、Seahorse能量代谢分析和功能性实验，他们发现体外分化的单房性脂肪细胞具有增强的有氧糖酵解和降低的线粒体含量这一独特的代谢特征。该代谢重编程通过激活AMPK，进而增强CD36介导的脂肪酸摄取，从而驱动脂滴增大和单房性形成。抑制有氧糖酵解会减少脂肪酸摄取并导致多房性表型，而抑制线粒体功能或激活AMPK则足以促进多房性3D培养向单房性转化。此项工作揭示了细胞微环境塑造脂肪细胞代谢和功能的核心作用，为理解人类白色脂肪细胞脂滴生物学、改善其功能性和预防疾病提供了重要见解。
在全球肥胖率不断攀升的背景下，由肥胖引发的2型糖尿病、脂肪肝和血脂异常等代谢性疾病的发病率也持续走高。科学研究已经重新定位了我们对这些疾病的认识，将脂肪细胞功能不全、特别是其脂质储存能力不足，视为一个关键致病驱动因素。白色脂肪细胞的核心形态特征，是细胞中含有一个巨大的、单一的脂滴，即“单房性”。然而，这个看似简单的“大油滴”，在实验室的培养皿中却极难重现。传统上，科学家们使用二维（2D）平面培养脂肪前体细胞，诱导其分化成脂肪细胞。但这类细胞总是形成多个小脂滴，呈“多房性”，与体内真正的白色脂肪细胞相去甚远。这种形态差异至关重要，因为脂滴的数量和大小会影响其表面积与体积比，进而可能影响脂肪细胞的脂质周转动力学和储存能力。为什么实验室里长不出“正宗”的白色脂肪细胞？驱动其形成单一脂滴的内在机制是什么？解答这些问题，不仅有助于我们构建更逼真的研究模型，更能深入理解脂肪细胞在代谢健康与疾病中的核心作用。
近期，卡罗林斯卡学院的研究团队开发了一种名为HUVAS的三维（3D）培养模型，首次在体外成功分化出了具有单房性形态的人类白色脂肪细胞。这为探究单房性形成的奥秘提供了绝佳机会。在最新发表于《Journal of Lipid Research》的研究中，他们提出了一个核心问题：是什么细胞程序决定了脂肪细胞在体外的单房性与脂滴大小？为此，他们设计了一项精巧的平行实验：使用来自同一健康供体的商业化基质血管细胞，在完全相同的培养基和分化时长条件下，同时建立传统的2D培养、无支架的3D球体培养以及有Matrigel支架的HUVAS培养。这样，三种培养体系的唯一变量就是细胞的微环境（2D平面 vs. 3D无支架球体 vs. 3D有支架球体），堪称完美的“对照实验”。
研究人员首先确认，HUVAS模型确实能产生脂滴更大、单房性比例更高的脂肪细胞，而无支架3D细胞表现为中间表型，2D细胞则为典型的多房性。蛋白质分析显示，单房性的HUVAS脂肪细胞表达更高水平的关键脂滴蛋白PLIN1和脂滴融合蛋白CIDEC，以及更低水平的米色/棕色脂肪细胞标志物UCP1，证实了其白色脂肪细胞身份。有趣的是，HUVAS脂肪细胞表达的经典成脂转录因子PPARγ蛋白水平反而低于多房性的2D和3D细胞，这提示高水平的PPARγ可能并非体外单房性脂肪细胞的主导特征。
为了寻找驱动单房性的“幕后推手”，他们对三种培养细胞进行了RNA测序分析。结果出乎意料：与2D和3D细胞相比，单房性的HUVAS脂肪细胞最突出的转录特征并非脂质代谢相关通路，而是葡萄糖代谢和缺氧相关通路。进一步分析发现，脂滴大小与糖酵解基因表达呈强正相关。代谢组学检测证实，HUVAS脂肪细胞向培养基中分泌的乳酸水平显著更高，并且摄取了更多的葡萄糖、丙酮酸和氨基酸，表明其糖酵解活性极高。同时，其线粒体和氧化磷酸化蛋白表达量更低。Seahorse能量代谢分析则揭示，HUVAS脂肪细胞虽然线粒体蛋白较少，但其基础耗氧率和细胞外酸化率都更高，显示出更强的整体代谢活性。然而，其线粒体对脂肪酸、丙酮酸和谷氨酰胺的氧化效率都很低。这些证据共同指向一个结论：单房性脂肪细胞在体外发生了一场深刻的代谢重编程——它们转向了有氧糖酵解（亦称“Warburg效应”），即在高氧条件下也将大量葡萄糖转化为乳酸，而非进入线粒体进行彻底氧化。
那么，高乳酸产生是缺氧和HIF1α信号激活的结果吗？研究给出了否定答案。他们在HUVAS细胞中并未检测到稳定的HIF1α蛋白，而人为用药物激活HIF1α反而降低了乳酸分泌和脂滴大小，抑制HIF1α则无影响。这表明HUVAS的单房性和糖酵解特征独立于HIF1α，是一种真正的有氧糖酵解程序。
接下来，一个关键问题浮出水面：有氧糖酵解是单房性的原因，还是仅仅伴随现象？研究人员通过药理学手段进行了因果验证。在HUVAS细胞中，使用苯丁酸钠或草酸钠抑制糖酵解关键酶，减少乳酸产生后，脂肪细胞的脂滴显著变小，单房性比例下降。相反，使用鱼藤酮或叠氮化钠抑制线粒体氧化磷酸化，迫使代谢流向乳酸生产，则能增加脂滴大小。更令人振奋的是，在原本为多房性的无支架3D细胞中，抑制线粒体功能同样能促进其形成更大的脂滴和更高的单房性比例。这直接证明，在脂肪细胞成熟期推动代谢向有氧糖酵解转变，足以在3D培养中促成单房性白色脂肪细胞的形成。
代谢重编程如何具体影响脂滴形态？研究发现了关键信号枢纽——AMPK。HUVAS脂肪细胞具有更高水平的磷酸化激活型AMPKT172。已知AMPK可调节细胞脂质动态。分析显示，虽然HUVAS细胞的激素敏感性脂肪酶激活程度较低，但其基础脂解反而更高，这无法解释其更大的脂滴。于是，研究转向脂肪酸摄取。功能实验表明，HUVAS细胞的脂肪酸摄取能力显著强于3D和2D细胞，且该摄取依赖于脂肪酸转运蛋白CD36。尽管HUVAS细胞的CD36蛋白总量不高，但其功能性摄取活性很强，提示可能存在CD36的膜转位激活。用CD36抑制剂SMS121长期处理HUVAS细胞，果然大幅降低了其脂滴大小和单房性。这表明，HUVAS的大脂滴高度依赖于来自微环境的脂肪酸摄取，这与体内白色脂肪细胞主要依靠摄取循环脂肪酸而非自身合成的特性一致。
最后的机制串联实验完成了闭环验证。在已分化的HUVAS细胞中，使用二甲双胍或O-304激活AMPK，能增加脂肪酸摄取、脂滴大小和单房性趋势。在3D细胞中激活AMPK也能产生类似效果。最为关键的是，在因抑制糖酵解而变成“小脂滴、多房性”的HUVAS细胞中，同时给予二甲双胍激活AMPK，可以完全“拯救”其形态，恢复大脂滴和单房性，并部分恢复其受损的脂肪酸摄取能力。这表明，AMPK的激活足以驱动脂肪细胞的功能和形态特征。
主要技术方法：本研究使用了多种关键技术。细胞模型方面，平行建立了源自同一供体人基质血管细胞的2D、无支架3D和HUVAS三维培养体系。形态学分析采用共聚焦显微镜成像和ImageJ软件对脂滴大小与单房性进行定量。分子机制研究运用了毛细管蛋白质免疫印迹、RNA测序（RNA-seq）及生物信息学分析、靶向代谢组学检测培养基代谢物。功能验证则通过Seahorse分析仪实时监测细胞耗氧率与酸化率，并使用特异性药理学抑制剂（如靶向LDHA、PDK1、线粒体复合体、CD36、AMPK的药物）进行干预实验，同时结合了脂肪酸摄取、脂解等细胞功能测定。
研究结果：
- 1.
HUVAS模型促进单房性白色脂肪细胞分化：证实HUVAS能产生脂滴更大、单房性比例更高、UCP1表达更低、更接近白色脂肪细胞特征的脂肪细胞，而无支架3D和2D模型则表现为多房性。
- 2.
单房性脂肪细胞以糖酵解和缺氧相关基因高表达为特征：RNA-seq分析发现，HUVAS脂肪细胞的差异表达基因富集于糖酵解和缺氧通路，且脂滴大小与糖酵解基因表达强相关。
- 3.
脂滴大小与有氧糖酵解增强及线粒体含量减少相关：代谢组学和Seahorse分析证实HUVAS细胞乳酸分泌高、糖酵解活跃、线粒体蛋白表达低但整体代谢活性高。
- 4.
有氧糖酵解而非HIF1α激活表征单房性脂肪细胞：HUVAS细胞中无HIF1α蛋白稳定，药理激活HIF1α会降低乳酸和脂滴大小，表明其表型驱动于独立于缺氧的有氧糖酵解。
- 5.
脂肪细胞代谢的药理操纵改变脂滴大小和单房性：抑制糖酵解使HUVAS和3D细胞脂滴变小、更趋多房性；抑制线粒体功能则使3D细胞脂滴增大、更趋单房性，证明代谢转换与形态的因果关系。
- 6.
脂肪细胞AMPK激活促进CD36介导的脂肪酸摄取：HUVAS细胞AMPK磷酸化水平更高，脂肪酸摄取能力更强且依赖CD36。抑制CD36会损害HUVAS的脂滴形态。
- 7.
AMPK激活足以增加脂肪细胞单房性和脂肪酸摄取：在脂肪细胞成熟期激活AMPK，可增加HUVAS和3D细胞的脂滴大小、单房性及脂肪酸摄取。
- 8.
AMPK激活可挽救由糖酵解抑制引起的缺陷：在因抑制糖酵解而受损的HUVAS细胞中，同时激活AMPK能完全恢复其大脂滴和单房性形态，并部分恢复脂肪酸摄取。
结论与讨论：
本研究确立了有氧糖酵解作为人类白色脂肪细胞脂滴形态和大小的关键驱动因素。通过平行比较三种培养模型，研究者揭示单房性脂肪细胞在体外发生显著的代谢重编程，其特征是增强的有氧糖酵解和降低的线粒体含量。这一代谢转换并非由缺氧/HIF1α信号介导，而是激活了能量传感器AMPK。活化的AMPK进而增强了脂肪酸转运蛋白CD36介导的脂肪酸摄取，最终促进了脂滴的融合与增大，形成单房性表型。
这项研究的意义深远。首先，它解决了脂肪生物学领域的一个长期难题，首次明确了代谢程序在决定脂肪细胞关键形态特征中的核心作用。其次，它深刻揭示了细胞培养微环境对细胞命运的塑造能力，强调了三维培养体系在模拟体内生理状态方面的优越性。HUVAS模型因其能产生更接近体内表型的脂肪细胞，为研究人类白色脂肪细胞的脂质储存、代谢功能及相关疾病机制提供了强大的工具。此外，该研究阐明的“有氧糖酵解-AMPK-CD36脂肪酸摄取”轴，不仅增进了我们对脂肪细胞生物学的基本理解，也可能为开发针对肥胖及相关代谢疾病（如胰岛素抵抗、脂肪肝）的新治疗策略提供潜在靶点。例如，促进脂肪细胞的有氧糖酵解和AMPK活性，或许能增强其脂质储存能力，从而改善全身代谢健康。总之，这项工作通过连接细胞微环境、代谢与形态功能，极大地推动了我们对人类脂肪细胞生物学的认识，并对未来研究和疾病防治具有重要启示。
