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Human skeletal muscle CD90+ fibro-adipogenicprogenitors are associated with muscledegeneration in type 2 diabetic patients

作者:Farup J, Just J, de Paoli F, Lin L, Jensen JB, Billeskov T, Roman IS, Cömert C, Møller AB, Madaro L, Groppa E, Fred RG, Kampmann U, Gormsen LC, Pedersen SB, Bross P, Stevnsner T, Eldrup N, Pers TH, Rossi FMV, Puri PL, Jessen N(Department of Biomedicine, Aarhus University, Aarhus 8000, Denmark; Research Laboratory for Biochemical Pathology, Department of Clinical Medicine, Aarhus University, Aarhus 8200, Denmark; Steno Diabetes Center Aarhus, Aarhus University Hospital, Aarhus 8200, Denmark; Department of Clinical Pharmacology, Aarhus University Hospital, Aarhus 8200, Denmark.)

發表情況:Cell Metabolism. 2021 Nov 2;33(11):2201-2214.e11.doi: 10.1016/j.cmet.2021.10.001. Epub 2021 Oct 21. PMID: 34678202.

科學問題

1. 病理組織轉化包括纖維脂肪器官變性,是Ⅱ型糖尿病的標誌。已有研究證明Ⅱ型糖尿病患者骨骼肌的退化與表達 CD90 的纖維脂肪祖細胞亞群的積累有關,但在人類骨骼肌中並沒有很好地描述退化和驅動病理性肌肉重塑的潛在機制。
2. 確定纖維化和脂肪細胞的細胞起源以可能減少或預防骨骼肌的纖維脂肪變性。
3. 尋找預防 T2DM 中纖維脂肪變性的新靶點。

重要發現

1. Ⅱ型糖尿病與骨骼肌纖維脂肪變性有關。
2.CD34+FAP 代表負責纖維脂肪浸潤的獨特細胞群。
3.CD90+FAP 顯示由 PDGF 介導的細胞分裂和膠原蛋白生成增強。
4.FAPs CD90+在 Ⅱ 型糖尿病患者的骨骼肌中積累。

中文摘要

Ⅱ型糖尿病 (T2DM) 與骨骼肌功能受損和骨骼肌退化有關。然而,在人類骨骼肌中並沒有很好地描述退化的潛在機制。在這裡,我們顯示 T2DM 患者的骨骼肌表現出細胞外基質的退行性重塑,這與以 THY1 (CD90) 的表達為標誌的纖維脂肪祖細胞 (FAP) 即FAPCD90+亞群的選擇性增加有關。我們將血小板衍生生長因子 (PDGF) 確定為關鍵的 FAP 調節劑,因為它以脂肪生成為代價促進增殖和膠原蛋白生成。FAPsCD90+顯示出了 PDGF -模擬表型,具有高增殖活性、克隆性和細胞外基質的產生。用二甲雙胍進行體外處理後,FAPCD90+ 增殖減少。此外,二甲雙胍治療降低了 T2DM 患者的 FAP 含量。這些數據將 PDGF 驅動的 FAP 亞群轉化確定為 T2DM 肌肉纖維化發展的關鍵事件。

英文摘要

Type 2 diabetes mellitus (T2DM) is associated with impaired skeletal muscle function and degeneration of the skeletal muscles. However, the mechanisms underlying the degeneration are not well described in human skeletal muscle. Here we show that skeletal muscle of T2DM patients exhibit degenerative remodeling of the extracellular matrix that is associated with a selective increase of a subpopulation of fibro-adipogenic progenitors (FAPs) marked by expression of THY1 (CD90)—the FAPCD90+. We identify platelet-derived growth factor (PDGF) as a key FAP regulator, as it promotes proliferation and collagen production at the expense of adipogenesis. FAPsCD90+display a PDGF-mimetic phenotype, with high proliferative activity, clonogenicity, and production of extracellular matrix. FAPCD90+proliferation was reduced by in vitro treatment with metformin. Furthermore, metformin treatment reduced FAP content in T2DM patients. These data identify a PDGFdriven conversion of a subpopulation of FAPs as a key event in the fibrosis development in T2DM muscle.

結 果



Fig. 1Ⅱ型糖尿病與退行性重塑有關。

(A) 超重匹配受試者(OBS) (n = 7)、T2DM 患者 (T2D) (n = 7) 和胰島素治療的 T2DM 患者 (itT2D) (n = 6) 的研究 1(股外側肌活檢)的工作流程。
(B) itT2D 中改變的生物過程。
(C) itT2D 中的通路富集分析。
(D–G) OBS、T2D 和 itT2D 中的 COL1A1 (D)、COL3A1 (E)、COL6A1 (F) 和 TGFB1 (G) 的mRNA 表達。
(H和I)來自患有 (H) 和不患有 (I) T2DM的患者的 Collagen1、WGA 和 Perilipin1 的 IHC 染色。
(J)PDGFRα 的表達(研究 1)。


Fig. 2 人類纖維脂肪生成祖細胞的鑑定和表徵。

(A) 分選策略 (CD45−CD31−)識別 CD34+ CD56−或 CD34−(i)、CD34+CD90−和 CD34+CD90+細胞 (ii)、CD56+CD82+ 細胞 (iii) 和CD90+細胞 (iv)
(B) 工作流程
(C-E)對CD34+CD90-CD56-(C)、CD34+CD90+CD56-(D) 和 CD56+CD82+CD34-(E) 群體的脂肪形成、纖維形成和肌源分化進行免疫熒光
(F) 人類骨骼肌中單核細胞的百分比 (%)(n = 17,研究 2,非 T2DM)。
(G) FAP 中的 PDGFRα的表達。
(H) 體外 3-9 天后 CD90+CD56- (FAPs)、CD56+(肌肉乾細胞MuSCs) 和 CD90-CD56-(未鑑定)細胞 COL1A1 的表達(n = 6,研究 2,非 T2DM)。
(I)克隆實驗。
(J) FAP 和 MuSC(n = 12,研究 2,非 T2DM)的克隆形成(集落形成)實驗 (%)。
(K) FAP 和 MuSC 的有限稀釋測定(n = 3,研究 2,非 T2DM)
(L) 來自單一排序的MuSC 產生的 MyHC+/Desmin+肌管。
(M) 來自單一排序的FAP 產生的 Perilipin1+/Collagen1+ 細胞。
(N) FAP 中的生物過程(n = 3,研究 2,非 T2DM)。
(O) EdU+MuSC 和 FAP 的百分比 (%)(n = 10-16,研究 2,非 T2DM)。
(P) EdU+MuSCs (i) 和 FAPs (ii) 96 小時後分類。


Fig. 3 單細胞RNA測序證實了獨特的FAP群體。

(A) 單細胞 RNA-seq 實驗。
(B) UMAP 集群(n = 4)顯示 15 個群體。
(C–F) PDGFRA (C)、CD34 (D)、THY1 (CD90、E) 和 COL1A1 (F) 表達。
(G) 15 個群體中的典型細胞標誌物;着色表示基因表達的細胞的平均表達和點大小百分比。


Fig. 4 PDGF 控制 FAP 分化。

(A) COL1A1 在 PDGFRα+CD90+ 和 PDGFRα-CD90+ FAP 中的表達(n = 4,研究 2,非 T2DM)。
(B) COL1A1+ 和 COL1A1low/- 中PDGFRα的 表達。
(C) 工作流程。
(D 和 E)對照或 PDGF-AA 刺激的 FAP 中的 Collagen1 的表達(n = 5,研究 2,非 T2DM;比例尺,100 μm)。
(F) 工作流程。
(G 和 H)成脂對照或經 PDGF-AA 處理的 FAP(n = 6,研究 2,非 T2DM;比例尺,100 μm)中的 Perilipin1 的表達。
(I) COL1A1 在對照或 PDGF-AA 處理的脂肪形成 FAP 中的表達(n = 4,研究 2,非 T2DM)。
(J) 工作流程。
(K 和 L)Perilipin1 在對照或伊馬替尼處理的脂肪形成 FAP 中的表達(n = 4,研究 2,非 T2DM;比例尺,100 μm)。
(M 和 N) PDGF-AA 治療 3 天后 FAP 乳酸產生和葡萄糖消耗(n = 5,研究 2,非 T2DM)。
(O) 工作流程。
(P) 脂肪生成或 PDGF-AA 處理的 FAP 中的糖酵解速率曲線(n = 7,技術重複,研究 2,非 T2DM)。
(Q 和 R) 脂肪生成或 PDGF-AA 處理的 FAP 中基礎糖酵解和最大糖酵解的 glyco PER (pmol/min)。
(S) Glyco PER 對照或 PDGF-AA 處理的脂肪形成 FAP糖酵解速率生成曲線。
(T) 對照或 PDGF-AA 處理的成脂 FAP 中的最大glyco PER。
(U 和 V)分別富含脂肪生成或纖維生成誘導的 FAP 的途徑(研究 2,非 T2DM)。


Fig. 5 表達 THY1 (CD90) 的 FAP 代表一個不同的亞群。

(A) 具有插值譜系預測的 FAP 的 UMAP(n = 4,研究 2)。
(B) MuSCs、FAPCD90−和 FAPCD90+的細胞大小(n = 16,研究 2,非 T2DM)。
(C) 流式分選後的FAPCD90-和 FAPCD90+中 EdU+的占比(n = 9-13,研究 2,非 T2DM)。
(D) FAPCD90-和FAPCD90+的有限稀釋測定(n = 3)。
(E和F) 來自單個分選的 FAPCD90-/+的脂肪生成或纖維生成克隆的百分比 (%)。
(G) 基於 FAPCD90-和 FAPCD90+中 DE 基因的 PCA 圖(n = 3,研究 2,非 T2DM)。
(H 和 I) 分別在 FAPCD90−和 FAPCD90+中的生物過程(n = 3,研究 2,非 T2DM)。
(J 和 K) FAPCD90−和 FAPCD90+中Collagen-1 蛋白表達(n = 5,研究 2,非 T2DM)。
(L) 工作流程。
(M) MuSCs、FAPCD90−和 FAPCD90+(n = 7,研究 2,非 T2DM)的耗氧率 (OCR)(pmol/min)。
(N) MuSCs、FAPCD90− 和 FAPCD90+的細胞外酸化率 (ECAR)(英里/小時/分鐘)。
(O) MuSCs、FAPCD90−和 FAPCD90+的 EACR/OCR 比率。
(P) CD34(紅色)、CD90(青色)和 WGA(綠色)的骨骼肌 IF。藍色箭頭為 CD34+ CD90+;紅色箭頭是 CD34+CD90−。


Fig. 6 FAPCD90+在 T2DM 中積累並對二甲雙胍治療有反應。

(A 和 B) 非 T2DM(n = 27-33,研究 2)或 T2DM(n = 7-8)患者的總 FAP 含量。
(C) 非 T2DM 和 T2DM 患者中 FAPCD90+的百分比 (%)。
(D 和 E) 分別在非 T2DM 和 T2DM 中FAPCD90+ 和 FAPCD90-(每個 MuSC)含量。
(F 和 G) 非 T2DM 和 T2DM 中的 EdU+FAP的占比(n = 4–12,研究 2)。
(H 和 I) 非 T2DM 或 T2DM 中 FAPCD90+中的 Collagen1的 表達(n = 2–3,研究 2)。
(J) 對照或二甲雙胍處理的 FAPCD90+的 OCR(pmol/min) (24 小時,n = 5–6,研究 2)。
(K)在對照或 0.1、0.5 或 1 mM 二甲雙胍治療後EdU+FAPCD90+的占比。
(L 和 M) 對照或二甲雙胍處理的 FAPCD90+中成脂細胞的含量。
(N) 二甲雙胍或安慰劑治療前/後的 PDGFRα 的表達(n = 11-12,研究 3)。

總 結


在本研究中,我們表明人類骨骼肌包含幾個轉錄和功能不同的 FAP 群,並且 FAP 的特定亞群是在 T2DM 患者中觀察到的肌肉纖維脂肪變性的關鍵介質。在體內,人類骨骼肌包含以 CD90 表達為標誌的 FAP 亞群。該群體非常適合進入細胞周期、產生克隆後代、產生細胞外基質並增加糖酵解的利用,這可能是由 PDGF 驅動的。FAPCD90+在 T2DM 的肌肉中積累,並構成肌肉生態位纖維化重塑的可能驅動因素。最後,增殖性 FAPCD90+ 可以在體外用二甲雙胍靶向,T2DM 患者體內二甲雙胍治療 3 個月可降低骨骼肌 FAP 含量。


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