Extracellular vesicles (EVs), including exosomes and microvesicles (MVs), are explored for use in diagnostics, therapeutics and drug delivery. However, little is known about the relationship of protein and lipid composition of EVs and their source cells. Here, we report high‐resolution lipidomic and proteomic analyses of exosomes and MVs derived by differential ultracentrifugation from 3 different cell types: U87 glioblastoma cells, Huh7 hepatocellular carcinoma cells and human bone marrow‐derived mesenchymal stem cells (MSCs). We identified 3,532 proteins and 1,961 lipid species in the screen. Exosomes differed from MVs in several different areas: (a) The protein patterns of exosomes were more likely different from their cells of origin than were the protein patterns of MVs; (b) The proteomes of U87 and Huh7 exosomes were similar to each other but different from the proteomes of MSC exosomes, whereas the lipidomes of Huh7 and MSC exosomes were similar to each other but different from the lipidomes of U87 exosomes; (c) exosomes exhibited proteins of extracellular matrix, heparin‐binding, receptors, immune response and cell adhesion functions, whereas MVs were enriched in endoplasmic reticulum, proteasome and mitochondrial proteins. Exosomes and MVs also differed in their types of lipid contents. Enrichment in glycolipids and free fatty acids characterized exosomes, whereas enrichment in ceramides and sphingomyelins characterized MVs. Furthermore, Huh7 and MSC exosomes were specifically enriched in cardiolipins; U87 exosomes were enriched in sphingomyelins. This study comprehensively analyses the protein and lipid composition of exosomes, MVs and source cells in 3 different cell types.

Cold stimulation induces the synthesis and release of the lipid species 12,13-diHOME from brown adipose tissue. This ‘lipokine’ then acts on brown adipocytes to promote the uptake of fatty acids to fuel this cell type's heat production. Brown adipose tissue (BAT) and beige adipose tissue combust fuels for heat production in adult humans, and so constitute an appealing target for the treatment of metabolic disorders such as obesity, diabetes and hyperlipidemia1,2. Cold exposure can enhance energy expenditure by activating BAT, and it has been shown to improve nutrient metabolism3,4,5. These therapies, however, are time consuming and uncomfortable, demonstrating the need for pharmacological interventions. Recently, lipids have been identified that are released from tissues and act locally or systemically to promote insulin sensitivity and glucose tolerance; as a class, these lipids are referred to as 'lipokines'6,7,8. Because BAT is a specialized metabolic tissue that takes up and burns lipids and is linked to systemic metabolic homeostasis, we hypothesized that there might be thermogenic lipokines that activate BAT in response to cold. Here we show that the lipid 12,13-dihydroxy-9Z-octadecenoic acid (12,13-diHOME) is a stimulator of BAT activity, and that its levels are negatively correlated with body-mass index and insulin resistance. Using a global lipidomic analysis, we found that 12,13-diHOME was increased in the circulation of humans and mice exposed to cold. Furthermore, we found that the enzymes that produce 12,13-diHOME were uniquely induced in BAT by cold stimulation. The injection of 12,13-diHOME acutely activated BAT fuel uptake and enhanced cold tolerance, which resulted in decreased levels of serum triglycerides. Mechanistically, 12,13-diHOME increased fatty acid (FA) uptake into brown adipocytes by promoting the translocation of the FA transporters FATP1 and CD36 to the cell membrane. These data suggest that 12,13-diHOME, or a functional analog, could be developed as a treatment for metabolic disorders.

Circulating factors released from tissues during exercise have been hypothesized to mediate some of the health benefits of regular physical activity. Lipokines are circulating lipid species that have recently been reported to affect metabolism in response to cold. Here, lipidomics analysis revealed that a bout of moderate-intensity exercise causes a pronounced increase in the circulating lipid 12,13-dihydroxy-9Z-octadecenoic acid (12,13-diHOME) in male, female, young, old, sedentary, and active human subjects. In mice, both a single bout of exercise and exercise training increased circulating 12,13-diHOME and surgical removal of brown adipose tissue (BAT) negated the increase in 12,13-diHOME, suggesting that BAT is the tissue source for exercise-stimulated 12,13-diHOME. Acute 12,13-diHOME treatment of mice in vivo increased skeletal muscle fatty acid uptake and oxidation, but not glucose uptake. These data reveal that lipokines are novel exercise-stimulated circulating factors that may contribute to the metabolic changes that occur with physical exercise.

Gene-environment interactions impact the development of neuropsychiatric disorders, but the relative contributions are unclear. Here, we identify gut microbiota as sufficient to induce depressive-like behaviors in genetically distinct mouse strains. Daily gavage of vehicle (dH2O) in nonobese diabetic (NOD) mice induced a social avoidance behavior that was not observed in C57BL/6 mice. This was not observed in NOD animals with depleted microbiota via oral administration of antibiotics. Transfer of intestinal microbiota, including members of the Clostridiales, Lachnospiraceae and Ruminococcaceae, from vehicle-gavaged NOD donors to microbiota-depleted C57BL/6 recipients was sufficient to induce social avoidance and change gene expression and myelination in the prefrontal cortex. Metabolomic analysis identified increased cresol levels in these mice, and exposure of cultured oligodendrocytes to this metabolite prevented myelin gene expression and differentiation. Our results thus demonstrate that the gut microbiota modifies the synthesis of key metabolites affecting gene expression in the prefrontal cortex, thereby modulating social behavior.

Abstract Prostate cancer (PC) is the second most lethal cancer for men and metastatic PC is treated by androgen deprivation therapy (ADT). While effective, ADT has many metabolic side effects. Previously, serum metabolome analysis showed that ADT reduced androsterone sulfate, 3-hydroxybutyric acid, acyl-carnitines while increased serum glucose. Since ADT reduced ketogenesis, we speculate that low-carbohydrate diets (LCD) may reverse many ADT-induced metabolic abnormalities in animals and humans. To test this possibility, we conducted a multi-center trial of PC patients initiating ADT randomized to no diet change (control) or LCD. We previously showed LCD led to significant weight loss, reduced fat mass, improved insulin resistance and lipid profiles. To determine whether and how LCD affects ADT-induced metabolic effects, we analyzed serum metabolites after 3-, and 6-months of ADT on LCD vs. control. We found androsterone sulfate was most consistently reduced by ADT, and was slightly further reduced by LCD. Contrastingly, LCD increased 3-hydroxybutyric acid and various acyl-carnitines, counteracting their reduction during ADT. LCD also reversed the ADT-reduced lactic acid, alanine and S-adenosyl Methionine (SAM), elevating glycolysis metabolites, amino acids and sulfur-containing metabolites. While the degree of ADT-reduced androsterone was strongly correlated with glucose and indole-3-carboxaldehyde, LCD disrupted such correlation. However, many LCD-induced changes were seen at 3-but not 6-month, suggesting metabolic adaption. Together, LCD significantly reversed many ADT-induced metabolic changes while slightly enhancing androgen reduction. Future research is needed to confirm these findings and determine whether LCD can mitigate ADT-linked comorbidities and possibly delaying disease progression by further lowering androgens. Statement of translational relevance Prostate cancer (PC) is the most common non-skin cancer and second leading cause of cancer-related death in men. While androgen deprivation therapy (ADT) is the main treatment for metastatic PC, it has many metabolic side effects. Previous serum metabolome analysis of PC patients receiving ADT identified reduced ketogenesis. Therefore, low-carbohydrate diets (LCD), ketogenic in nature, may reverse many ADT-induced metabolic abnormalities. We conducted a 6-month multi-center trial of no diet change (control) vs. LCD in men initiating ADT. We found that LCD reversed many ADT-induced metabolic abnormalities while slightly further reducing androgen levels. Also, LCD disrupted the diabetogenic effects of ADT, but some effects seen at 3-month were lost at 6-month, suggesting metabolic adaptation to LCD. These data suggest the potential metabolic benefits of LCD with potential to enhance ADT efficacy. Larger studies testing whether LCDs mitigate metabolic side effects and slow disease progression are warranted given acceptable safety profiles, metabolic benefits, and possibly lowered androgens.

Abstract Energy is necessary for tumor cell viability and growth. Aerobic glucose-driven lactic acid fermentation is a common metabolic phenotype seen in most cancers including malignant gliomas. This metabolic phenotype is linked to abnormalities in mitochondrial structure and function. A luciferin-luciferase bioluminescence ATP assay was used to measure the influence of amino acids, glucose, and oxygen on ATP content and viability in mouse (VM-M3 and CT-2A) and human (U-87MG) glioma cells that differed in cell biology, genetic background, and species origin. Oxygen consumption was measured using the Resipher system. Extracellular lactate and succinate were measured as end products of the glycolysis and glutaminolysis pathways, respectively. The results showed that: 1) glutamine was a source of ATP content irrespective of oxygen. No other amino acid could replace glutamine in sustaining ATP content and viability; 2) ATP content persisted in the absence of glucose and under hypoxia, ruling out substantial contribution through either glycolysis or oxidative phosphorylation (OxPhos) under these conditions; 3) Mitochondrial complex IV inhibition showed that oxygen consumption was not an accurate measure for ATP production through OxPhos. The glutaminase inhibitor, 6-diazo-5-oxo-L-norleucine (DON), reduced ATP content and succinate export in cells grown in glutamine. The data suggests that mitochondrial substrate level phosphorylation in the glutamine-driven glutaminolysis pathway contributes to ATP content in these glioma cells. A new model is presented highlighting the synergistic interaction between the high-throughput glycolysis and glutaminolysis pathways that drive malignant glioma growth and maintain ATP content through the aerobic fermentation of both glucose and glutamine. Summary statement Malignant gliomas, regardless of cell of origin or species, rely on fermentation mechanisms for ATP production due to OxPhos insufficiency. Glucose and glutamine together are necessary and sufficient for dysregulated tumor cell growth, whereas OxPhos is neither necessary nor sufficient.

Abstract Invasion of high-grade glioma (HGG) cells through the brain and spinal cord is a leading cause of cancer death in children. Despite advances in treatment, survivors often suffer from life-long adverse effects of the toxic therapies. This study investigated the influence of nutritional ketosis on the therapeutic action of mebendazole (MBZ) and devimistat (CPI-613) against the highly invasive VM-M3 glioblastoma cells in juvenile syngeneic p20-p25 mice; a preclinical model of pediatric HGG. Cerebral implantation of the VM-M3 glioblastoma cells invaded throughout the brain and the spinal column similar to that seen commonly in children with malignant glioma. The maximum therapeutic benefit of MBZ and CPI-613 on tumour invasion and mouse survival occurred only when the drugs were administered together with a ketogenic diet (KD). MBZ reduced VM-M3 tumour cell growth and invasion when evaluated under in-vitro and in-vivo conditions through inhibition of both the glutaminolysis and the glycolysis pathways. Moreover, administration of the drugs with the KD allowed a low dosing for the juvenile mice, which minimized toxicity while improving overall survival. This preclinical study in juvenile mice highlights the potential importance of a diet/drug therapeutic strategy for managing childhood brain cancer.

Activating brown adipose tissue (BAT) improves systemic metabolism, making it a promising target for metabolic syndrome. BAT is activated by 12,13-dihydroxy-9Z-octadecenoic acid (12,13-diHOME), which we previously identified to be inversely associated with BMI and which directly improves metabolism in multiple tissues. Here we profile plasma lipidomics from 83 people and test which lipids' association with BMI replicates in a concordant direction using our novel tool ScreenDMT, whose power and validity we demonstrate via mathematical proofs and simulations. We find that the linoleic acid diols 12,13-diHOME and 9,10-diHOME are both replicably inversely associated with BMI and mechanistically activate calcium influx in mouse brown and white adipocytes in vitro, which implicates this signaling pathway and 9,10-diHOME as candidate therapeutic targets. ScreenDMT can be applied to test directional mediation, directional replication, and qualitative interactions, such as identifying biomarkers whose association is shared (replication) or opposite (qualitative interaction) across diverse populations.

Abstract Background Systemic treatments for prostate cancer (PC) have significant side effects. Thus, newer alternatives with fewer side effects are urgently needed. Animal and human studies suggest the therapeutic potential of low carbohydrate diet (LCD) for PC. To test this possibility, Carbohydrate and Prostate Study 2 (CAPS2) trial was conducted in PC patients with biochemical recurrence (BCR) after local treatment to determine the effect of a 6-month LCD intervention vs. usual care control on PC growth as measured by PSA doubling time (PSADT). We previously reported the LCD intervention led to significant weight loss, higher HDL, and lower triglycerides and HbA1c with a suggested longer PSADT. However, the metabolic basis of these effects are unknown. Methods To identify the potential metabolic basis of effects of LCD on PSADT, serum metabolomic analysis was performed using baseline, month 3, and month 6 banked sera to identify the metabolites significantly altered by LCD and that correlated with varying PSADT. Results LCD increased the serum levels of ketone bodies, glycine and hydroxyisocaproic acid. Reciprocally, LCD reduced the serum levels of alanine, cytidine, asymmetric dimethylarginine (ADMA) and 2-oxobutanoate. As high ADMA level is shown to inhibit nitric oxide (NO) signaling and contribute to various cardiovascular diseases, the ADMA repression under LCD may contribute to the LCD-associated health benefit. Regression analysis of the PSADT revealed a correlation between longer PSADT with higher level of 2-hydroxybutyric acids, ketone bodies, citrate and malate. Longer PSADT was also associated with LCD reduced nicotinamide, fructose-1, 6-biphosphate (FBP) and 2-oxobutanoate. Conclusion These results suggest a potential association of ketogenesis and TCA metabolites with slower PC growth and conversely glycolysis with faster PC growth. The link of high ketone bodies with longer PSADT supports future studies of ketogenic diets to slow PC growth.