外泌體及其在疾病診療中的研究進展

李亞龍，楊舒婷，趙一安，羅云綱，劉國民*

(1.吉林大學(xué)第二醫(yī)院 骨科，吉林 長春130041；2.吉林大學(xué)口腔醫(yī)院 修復(fù)科，吉林 長春130021；3.吉林大學(xué)第二醫(yī)院 口腔科，吉林 長春130041)

患者組織和器官損傷在出現(xiàn)臨床癥狀之前就已經(jīng)出現(xiàn)，常規(guī)檢測方法往往不能檢測其早期損傷，對早期病情演變可靠檢測指標的缺乏，使患者的管理越來越復(fù)雜。新興的納米生物技術(shù)通過監(jiān)測細胞信號傳導(dǎo)分子水平的變化，能夠較為準確的檢測組織和器官早期損傷[1]。從細胞水平了解臨床疾病的發(fā)生機制有助于患者的治療，而由旁分泌因子介導(dǎo)的細胞間通訊對不同組織和器官的應(yīng)激反應(yīng)的發(fā)生起關(guān)鍵作用[2]。外泌體(exosomes)由細胞分泌，是載有DNA、RNA、脂質(zhì)和蛋白質(zhì)等生物分子的納米級信使，通過協(xié)調(diào)各種細胞的自分泌和旁分泌，介導(dǎo)細胞間通訊、參與免疫調(diào)節(jié)和其他生理反應(yīng)[3]。目前對外泌體的研究主要集中在外泌體的功能、在疾病發(fā)生和進展中的作用和機制以及能否用于臨床疾病的診療，在本文中，我們對外泌體的部分研究結(jié)果進行了總結(jié)，希望為外泌體的深入研究及其臨床應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 外泌體的特征

外泌體是胞外分泌前由多囊泡體(multi-vesicular bodies,MVBs)產(chǎn)生的50-100 nm脂質(zhì)囊泡(extracellular vesicles,EVs)，最初被認為用來收納細胞不需要的“垃圾”RNA，現(xiàn)在認為是細胞選擇性地將特定的非編碼RNA和其他生物分子以外泌體形式主動轉(zhuǎn)運到其他細胞[4]。 外泌體可調(diào)控基因表達，介導(dǎo)細胞對其微環(huán)境的反應(yīng)，在生理和病理狀態(tài)下均可介導(dǎo)細胞間通訊[4]。近年來對外泌體功能的研究越來越多，在對其認識越發(fā)深入的同時，也促進了其在臨床疾病診療方面的應(yīng)用。

在體液中，即使親代細胞死亡之后，外泌體的水平也保持長期的穩(wěn)定，這與應(yīng)激反應(yīng)中其他細胞因子含量水平的表現(xiàn)不同。迄今為止，在人體多種病理生理條件下[5-7]的外泌體亞群均已確定，不同亞群外泌體功能的有效性取決于外泌體的內(nèi)容物、組織微環(huán)境、供體細胞和受體細胞[8]。外泌體還可以抗原提呈以及抑制或激活免疫反應(yīng)[3]。

外泌體載有的寡核苷酸(DNA，mRNA，miRNA和非編碼RNA等)、蛋白質(zhì)(熱休克蛋白、酶、轉(zhuǎn)錄因子等)和代謝物(脂質(zhì)，乳酸和谷氨酸等[3,9])可提供關(guān)于親代細胞狀態(tài)的信息，同時可提供其對受體細胞可能產(chǎn)生的影響的線索[10]。外泌體從生理到病理參與許多細胞活動，例如在生理方面可將載有的免疫原性分子(例如CD86，CD40，MHC-Ⅰ，MHC-Ⅱ和Hsp70等)以旁分泌方式將生物信息輸送到相鄰或遠處的細胞，使受體細胞應(yīng)答產(chǎn)生生理效應(yīng)，在病理方面可促進腫瘤生長和腫瘤的轉(zhuǎn)移[11,12]。

外泌體來源于多種細胞，可從血液、尿液、腹水等體液和組織器官中提取出來[13]，在體液中的穩(wěn)定性較高，在疾病的發(fā)生和發(fā)展過程中擔(dān)任重要角色。

2 外泌體在疾病診療中的作用

清晰疾病的發(fā)生和發(fā)展機制，有助于促進疾病的診療和患者的健康恢復(fù)，而外泌體以其獨有的生物學(xué)特征，參與了多種疾病的發(fā)生和發(fā)展。隨著對外泌體的深入研究，外泌體在疾病診療中越來越顯示出其所具有的獨特優(yōu)勢和潛在價值。

2.1 外泌體在急性心肌梗死(AMI)中的作用

急性心肌梗死(acute myocardial injury,AMI)是導(dǎo)致患者死亡的主要原因之一。當AMI發(fā)生后，某些與心肌缺血相關(guān)的生物標志物的水平升高，如N末端腦鈉肽(NT-pro-BNP)、高敏肌鈣蛋白T(hsTnT)和神經(jīng)肽Y(NPY)等，可能有助于對AMI的檢測[14]，但在AMI發(fā)生的早期(一般為3小時內(nèi))，其水平升高并不明顯[15]。與此相反，在AMI早期外周血中的單核細胞即可高度活化，分泌大量載有miRNAs(如miRNA-122,-140-3p、-720、-2861等)的外泌體[16]。因此，可將外周血外泌體miRNAs作為檢測早期AMI的臨床指標。

此外，當心肌細胞缺氧時，外泌體及其載有的miRNAs(如miRNA-126)呈高表達狀態(tài)，通過抑制炎性細胞因子，降低心肌細胞損傷，抑制心肌細胞凋亡,并且富含miRNA-126的外泌體能夠促進微血管的生成和遷移，抑制纖維化相關(guān)蛋白的表達，保留心肌收縮功能，修復(fù)受損心肌細胞，促進心臟功能恢復(fù)[17,18]。

2.2外泌體在急性腎損傷(AKI)中的作用

急性腎損傷(acute kidney injury,AKI)在ICU中發(fā)病率較高，但對其仍缺乏有效的早期診斷方法，因此有學(xué)者探索能否將外泌體作為早期AKI的檢測指標。研究顯示[19,20]，早期AKI患者尿液中的外泌體水平較高，這類外泌體載有G蛋白偶聯(lián)受體、G5蛋白或者活化轉(zhuǎn)錄因子-3(ATF3)等，其中ATF3可在腎臟缺血再灌注損傷后的6小時內(nèi)、血清肌酐濃度升高到正常上限之前顯著升高[20]，與傳統(tǒng)的生物標志物相比，外泌體ATF3無疑是檢測早期AKI更敏感的指標，可作為AKI損傷的早期診斷生物標志物。

在臨床診療中，常將尿液中外泌體載有的水通道蛋白-1(AQP-1)和AQP-2的濃度作為腎臟缺血和再灌注損傷的指標[21]。最近發(fā)現(xiàn)MSCs分泌的外泌體對甘油或缺血引起的AKI的修復(fù)具有促進作用[22]，這可能與該亞群外泌體含有特定的mRNA(如ATF3)有關(guān)[23]，ATF3通過下調(diào)單核細胞趨化蛋白-1基因在上皮細胞中的表達來抑制巨噬細胞吞噬，減輕腎臟缺血和再灌注損傷，因此通過誘導(dǎo)釋放載有ATF3的外泌體可能為AKI的治療開辟一條新的途徑。

2.3外泌體在腫瘤中的作用

腫瘤形成及其治療的復(fù)雜性正日益得到社會認可，多年來腫瘤細胞間通訊的主要媒介歸因于腫瘤細胞分泌的蛋白，如生長因子，細胞因子和趨化因子，最新研究表明，外泌體在這一過程中起著關(guān)鍵作用[24]。

腫瘤細胞分泌的外泌體載有腫瘤特異性抗原，如MHC-I、MHC-Ⅱ、癌胚抗原(CEA)和NKG2D等，通過調(diào)控T細胞和自然殺傷細胞的細胞毒性，抑制癌細胞[25,26]，因此在腫瘤領(lǐng)域，外泌體與免疫調(diào)控之間的相互作用引起了人們的關(guān)注。另有研究表明[27]，富含核酸的外泌體可通過MYD88/TRIF信號通路誘導(dǎo)產(chǎn)生INF-1，當腫瘤細胞中Hippo通路激酶LATS1/2缺失或不足，該類型外泌體可抑制腫瘤生長。

外泌體也參與腫瘤細胞的轉(zhuǎn)移過程。腫瘤基質(zhì)是腫瘤細胞進行轉(zhuǎn)移的限制因素，載有TGF-β的外泌體通過表達α-平滑肌肌動蛋白(α-SMA)，將腫瘤基質(zhì)中的成纖維細胞誘導(dǎo)分化為肌成纖維細胞[28]，肌成纖維細胞能夠釋放水解酶或者金屬蛋白酶(MMP)，促進結(jié)締組織形成，這是癌癥晚期的特征[29]。富含表皮生長因子受體(EGFR)和miR-150等生物分子的外泌體，可誘導(dǎo)血管內(nèi)皮生長因子(VEGF)及其受體VEGFR-2的表達，促進血管的生成[30,31]。外泌體也能降低腫瘤細胞粘附力、促進腫瘤轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)移灶的形成[32,33]。

腫瘤形成的病因及其機制復(fù)雜，對腫瘤微環(huán)境和外泌體在腫瘤形成和進展過程中所擔(dān)任角色的研究，可能有助于對腫瘤發(fā)生機制的深入認識和腫瘤的治療。

2.4外泌體在藥物成癮中的作用

miRNAs的翻譯調(diào)控可使神經(jīng)細胞重塑其突觸結(jié)構(gòu)和功能，這促使藥物濫用導(dǎo)致的藥物成癮的發(fā)生。有研究發(fā)現(xiàn)[34]，當神經(jīng)細胞暴露于酒精時，細胞中miRNA-9的表達迅速增加，其誘導(dǎo)的Ca2+和電壓門控K+離子通道表達發(fā)生變化，神經(jīng)細胞對酒精的耐受性增高。在未來的研究中，對外泌體miRNA-9功能的進一步探討可能有助于解決酒精成癮癥。尼古丁的成癮性與神經(jīng)元煙堿型乙酰膽堿受體在大腦中表達的活化有關(guān)[35]。在對嚙齒類動物給予尼古丁后，外泌體載有的miRNA 542-3p水平降低，中腦邊緣通路煙堿型乙酰膽堿受體β2亞基的表達增強[36]，因此外泌體可能成為解決尼古丁依賴癥的潛在方法。也有文獻報道了外泌體在可卡因、大麻、阿片類藥物成癮中的機制[37-39]。

盡管現(xiàn)有研究已明確藥物濫用能夠促進外泌體的分泌，但藥物濫用對外泌體遞送miRNAs的直接影響還沒有被充分探索。對藥物濫用后的外泌體內(nèi)容物(包括miRNAs和蛋白質(zhì))進行詳細分析，是破譯外泌體在藥物成癮中的具體作用的關(guān)鍵。外泌體內(nèi)容物miRNAs和蛋白質(zhì)的變化，直接影響基因表達和其他生理反應(yīng)，因此通過觀察外泌體與細胞在神經(jīng)藥理學(xué)方面的特異性相互作用，有助于治療中樞神經(jīng)系統(tǒng)(CNS)疾病，現(xiàn)已有報道將外泌體用于改善CNS潛在的病理生理狀況[40]和作為評估病理生理狀況下神經(jīng)損傷程度的診斷標志物[41]。這些研究結(jié)果從側(cè)面揭示了外泌體在治療藥物成癮性方面具有巨大的潛力，因此深入探討外泌體在藥物成癮性中的作用和藥物效應(yīng)對外泌體分泌的影響，有助于藥物成癮性的治療。

2.5外泌體在急性肺損傷(ALI)/急性呼吸窘迫綜合征(ARDS)中的作用

急性肺損傷(acute lung injury,ALI)和急性呼吸窘迫綜合征(acute respiratory distress syndrome,ARDS)是ICU急性呼吸衰竭的主要原因。在最新的研究中發(fā)現(xiàn)，外泌體在ALL/ARDS的發(fā)生過程中起關(guān)鍵作用。研究顯示[42]，從創(chuàng)傷/失血性休克大鼠腸系膜淋巴液分離出的外泌體，通過Toll樣受體-4刺激NF-κB活化，并在肺泡巨噬細胞中誘導(dǎo)促炎性細胞因子的產(chǎn)生，在肺組織中使炎癥細胞聚集，血管通透性增加，誘發(fā)ALI。

外泌體在ALI/ARDS中擔(dān)任的角色較為復(fù)雜，既參與其發(fā)生，又能減輕肺組織損傷。Moon等人[43]在ALI/ARDS的小鼠模型中證明，高氧環(huán)境下肺上皮細胞分泌的外泌體載有促凋亡因子半胱氨酸天冬氨酸特異性蛋白酶-3(casepase-3)，其通過ROCK-1途徑激活巨噬細胞，使促炎性細胞因子和巨噬細胞炎癥蛋白2(MIP-2)大量分泌，降低肺損傷。因此通過直接阻斷以外泌體為媒介的巨噬細胞—上皮細胞旁分泌相互作用為ALI/ARDS的治療提供了一條新思路。Zhu等人[44]在ALI小鼠模型中，向小鼠氣管內(nèi)注射源于人間充質(zhì)干細胞(MSCs)的外泌體，發(fā)現(xiàn)其通過誘導(dǎo)角質(zhì)形成細胞生長因子的上皮表達，抑制肺炎和減輕肺水腫。這些結(jié)果表明，外泌體可能成為治療ALI/ARDS的新型潛在療法，同時可能用于治療其他肺部疾病，如哮喘，肺動脈高壓和囊性纖維化等[45]。

2.6外泌體在骨代謝中的作用

破骨細胞、成骨細胞、間充質(zhì)干細胞(mesenchymal stem cells,MSCs)等多種細胞都可分泌外泌體[46]，該外泌體亞群載有骨形態(tài)發(fā)生蛋白(BMP)1-7、骨鈣素(OC)和骨橋蛋白(OPN)等多種信號蛋白和生長因子[47]，以旁分泌因子或內(nèi)分泌等形式參與骨代謝[48]。破骨細胞的形成和分化受核因子κ B受體活化因子(RANK)及其配體(RANKL)調(diào)控，成骨細胞分泌的外泌體含有RANKL，能夠誘導(dǎo)含有RANK的破骨細胞前體分化成熟為破骨細胞[46]，破骨細胞及其前體也分泌富含RANK的外泌體，通過RANKL競爭性抑制破骨細胞表面RANK的活化調(diào)控自身[49]。MSCs能夠大量分泌外泌體[50]，載有的miRNAs(包括miR-21、miR-155、miR210、miR-223、miR-378和let-7e等)是骨代謝中的關(guān)鍵調(diào)節(jié)劑[51]，如miRNA-223參與破骨細胞形成，且其過度表達抑制破骨細胞分化[52]、miRNA-378促進破骨細胞形成和分化[53]以及l(fā)et-7和miRNA-140協(xié)同參與軟骨發(fā)育[54]等。外泌體在骨代謝中所具有的重要功能，揭示其在治療骨代謝疾病方面具有巨大的潛力。現(xiàn)已有研究表明，外泌體可以用于治療骨性關(guān)節(jié)炎[55]、雙磷酸鹽相關(guān)的頜骨壞死[56]和修復(fù)骨缺損[57,58]。

3 總結(jié)

現(xiàn)有的證據(jù)已經(jīng)表明，外泌體參與疾病的發(fā)生和發(fā)展，因此可將外泌體作為檢測多種疾病的生物標志物，用于評估組織和器官的功能障礙。對外泌體的研究和應(yīng)用為內(nèi)源性活性物質(zhì)診斷和治療臨床疾病開辟了一個新的途徑。到目前為止，外泌體在檢測狼瘡性腎炎[59]、卵巢腫瘤[60]、心衰[61]和女性肝癌[62]等臨床疾病均取得較好效果。盡管外泌體的臨床用途潛力巨大，但任何一種新的診療方式都需嚴格的論證和驗證，因此仍需對外泌體進行深入的研究。