FSAP | 易华西教授、仝令君副研究员：牛初乳和成熟乳来源细胞外囊泡的代谢组学分析

山东第一医科大学（山东省医学科学院）医学科技创新中心、新加坡国立大学杨潞龄医学院张思桐，国家乳业技术创新中心、中国海洋大学食品科学与工程学院易华西教授，山东第一医科大学（山东省医学科学院）济南市中心医院仝令君副研究员等通过对牛初乳和成熟乳中的，乳源细胞外囊泡（milk-derived extracellular vesicles，mEVs）进行代谢组学分析，探索其在代谢物种类和含量上的差异，并揭示这些差异对生物功能的影响，旨在为mEVs的潜在生物学机制提供新的见解，并为其在健康和疾病中的应用提供理论基础。

Introduction

细胞外囊泡（extracellular vesicles，EVs）是所有活细胞分泌的、包裹膜结构的纳米颗粒，在细胞间通信及多种生理过程中起着至关重要的作用。近年来，牛乳来源的mEVs引起了广泛关注，尤其是在调节肠道免疫功能和代谢紊乱方面。以往研究集中于mEVs的蛋白质组学、脂质组学和转录组学分析，但对其代谢组学的研究较少。

牛初乳是母牛在产犊后最初几天分泌的富含营养和免疫成分的乳汁，而成熟牛乳则是在哺乳后期分泌的乳汁。两者虽然在营养成分和功能上存在差异，但EVs中的分子组成及其生物功能尚未得到充分研究。

A.通过超速离心和尺寸排阻色谱柱分离和纯化mEV的步骤；B1、B2.分别表示从牛初乳提取的乳源性细胞外囊泡（milk-derived extracellular vesicles derived from bovine colostrum，C-mEVs）和从牛成熟乳提取的乳源性细胞外囊泡（milk-derived extracellular vesicles derived from mature milk，M-mEVs）的透射电镜图像；C. mEVs标记物和非mEVs蛋白免疫印迹图像；D1、D2.分别为纳米颗粒跟踪分析C-mEVs和M-mEVs的大小分布。

图1 牛乳外泌体的提取和表征

Results

通过代谢组学分析， C-mEVs和M-mEVs中共 鉴定出417 种代谢物，其中，大部分代谢物在两者中都有出现，仅少数代谢物特异性存在于某一类mEVs中。 C- mEVs中，脂质相关的代谢物占比最高，主要涉及甘油磷脂代谢途径；而 M- mEVs中的代谢物则在嘌呤代谢和ABC转运体途径中表现出显著的富集。

A. C-mEVs和M-mEVs中代谢物及其数量Venn图；B.基于人类代谢组数据库的注释，所有代谢物的超类；C.对C-mEVs和M-mEVs中所有代谢物进行京都基因与基因组百科全书（Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes，KEGG）通路富集分析；D. 富集前20 条KEGG通路的直方图；E. C-mEVs和M-mEVs中特定代谢物的类别；F.对C-mEVs中特定代谢物的KEGG通路富集分析。

图2 牛初乳和成熟乳外泌体的非靶向代谢组学分析

通过功能富集分析发现， C- mEVs的代谢物更倾向于在炎症调节中发挥作用，而 M-m EVs则主要与代谢疾病和消化系统疾病相关。研究结果表明，C-mEVs中的代谢物可能更适合在调节肠道免疫和抗炎症方面的应用，而M-mEVs则可能在能量代谢和细胞信号传导方面发挥更大的作用。

A. KEGG通路差异丰度评分图；B. KEGG拓扑分析气泡图；C1～C4.分别为腺嘌呤、腺苷、肌苷、次黄嘌呤相对丰度分析。**P＜0.01；***P＜0.001。

图3 差异代谢物的通路富集分析

Conclusion

通过对C-mEVs和M-mEVs的代谢组学分析，揭示两者在代谢物种类和生物功能上的显著差异。C-mEVs更倾向于在炎症调控和消化系统保护中发挥作用，而C-mEVs则更与代谢调节和嘌呤代谢相关。这一研究为进一步探索牛乳来源mEVs在健康和疾病中的潜在应用提供了重要的基础。未来的研究将继续深入探讨这些代谢物的具体生物学功能，并评估其在临床应用中的潜力。

Abstract

Milk-derived extracellular vesicles (mEVs) derived from bovine colostrum (C-mEVs) and mature milk (M-mEVs) are known to carry bioactive molecules with significant immunomodulatory properties and biological effects. However, most research on mEVs has focused on their proteomics, lipidomics, and transcriptome, while metabolome analysis are still lacking. This study aims to explore the metabolomic profiles of C-mEVs and M-mEVs to uncover their molecular characteristics and potential biological functions. The mEVs were purified from both bovine colostrum and mature milk using ultracentrifugation combined with size exclusion chromatography. Through untargeted metabolomic analysis employing liquid chromatography-tandem mass spectrometry (LC-MS/MS), 76 differential metabolites, such as leucylproline, levonordefrin, adenine, polyglycerol esters of fatty acids, and hypoxanthine were identified. Among them, lipid-related metabolites were the most prominent. Hierarchical cluster analysis and principal component analysis revealed distinct metabolic signatures between C-mEVs and M-mEVs. Pathway enrichment analysis indicated that the metabolites were involved in purine metabolism and ABC transporter pathways, which was closely related to cancer, inflammation, gastrointestinal disorders, and metabolic diseases. The findings highlight the potential of metabolomics to provide a temporally precise and detailed snapshot of the molecular properties of mEVs, contributing valuable insights into mEVs-mediated molecular mechanisms and offering new avenues for research into their biological effects and therapeutic applications.

作者介绍

易华西 教授

中国海洋大学食品科学与工程学院

易华西，中国海洋大学食品科学与工程学院教授，博士生导师，中国海洋大学“青年英才工程”引进人才，江苏省“双创”创新领军人才，国际乳品联合会中国国家委员会特聘专家，兼任多个乳品企业的技术副总和技术总监。主要从事功能性乳制品和特质益生菌的研究与开发，主持承担国家自然科学基金、国家重点研发计划课题、山东省自然科学基金重点项目等国家及省部级科研项目，发表论文100余篇，其中以通信作者于Science Advances、Theranostics、Food Hydrocolloids等国际高影响期刊发表论文多篇。申请国家发明专利10余项，获中国食品科学技术学会杰出青年奖和省级科技进步一等奖等科技奖励。

仝令君 副研究员

山东第一医科大学

仝令君，山东第一医科大学副研究员，“泰山学者”青年专家，硕士生导师。主要研究方向为：（1）基于乳源外泌体作为药物载体的精准靶向治疗；（2）乳源外泌体大规模生产技术的开发与应用；（3）心血管疾病新型生物标志物的筛选。以第一作者或通讯作者分别在Sci. Adv.、J. Extracell. Vesicles、Theranostics、Adv. Drug Delivery Rev.、Mol. Nutr. Food Res.等国际知名期刊发表SCI数十篇，新加坡国立大学发明专利1 项（排名第二位）。目前主持国家自然科学基金、山东省自然科学基金等科技项目4 项。主要学术兼职：美国细胞外囊泡官方会刊Extracellular Vesicle青年编委；Food Science of Animal Products青年编委；国际液体活检协会会刊EVCNA青年编委；国际细胞外囊泡协会（ISEV）Milk Task Force成员；中国研究型医院学会细胞外囊泡研究与应用委员会青年委员。

张思桐 博士研究生

新加坡国立大学杨璐玲医学院

张思桐，女，新加坡国立大学杨璐玲医学院博士生，主要研究方向为牛乳外泌体在代谢疾病中的治疗作用及机制研究；肝脏疾病的靶点发现及药物筛选；药物制剂新剂型研究。目前，在Science Advances、Journal of Extracellular Vesicles、ACS Nano等国内外知名期刊公开发表学术论文10余篇，第一或共一作者论文5 篇，授权国际发明专利2 件。

文章内容由作者团队提供。

编辑：阎一鸣； 责任编辑：刘莉