心臟干細胞源外泌體中microRNA對心臟的保護作用

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心血管疾病是當前導致人類死亡的主要原因之一，由于缺乏創(chuàng)新藥物和器官移植的局限性，現(xiàn)有的治療心血管疾病的方法雖能延緩疾病進展、延長病人的壽命，卻不能修復和再生受損的心肌，再生能力有限可導致心肌細胞損失引起心臟泵功能損害，因此干細胞在心臟修復和再生方面有著巨大的前景[1]。心臟干細胞(cardiac stem cells，CSCs)來源于自體組織，能夠避免異體移植排斥效應，有較低的致瘤率、致畸率、致心律失常率，是心臟保護和修復的最佳干細胞類型之一，但由于干細胞移植的生存率非常低，注射或移植的干細胞僅在非常短的時間內保留在治療部位，甚至移植后很難在心臟中發(fā)現(xiàn)，導致移植干細胞的治療功效降低，因此干細胞衍生的外泌體(exosomes)成了一個潛在的治療新策略[2]。外泌體中的microRNA可通過自分泌或旁分泌的方式作用于自身或遠隔的靶細胞，進而調控心臟功能，在心血管疾病的治療中起著重要作用?，F(xiàn)從心臟干細胞源的外泌體、microRNA、對心臟的保護作用以及研究展望幾個方面進行綜述如下。

1 心臟干細胞源的外泌體

心臟干細胞是一類存在于心臟組織內可以自我更新及克隆增殖的、具有多種表型的細胞，表達早期心肌細胞系的轉錄因子(Nkx2.5，GATA- 4，Mef- 2)，能夠減少心肌梗死后的瘢痕、增加心肌活力、減少左室重構、促進血管新生、調節(jié)炎癥反應、修復心肌組織，從而改善心功能。但是干細胞移植的效率受到細胞保留率低的限制[3]，只有一小部分(<3%)注入的干細胞進入受體心肌[4]，目前的研究認為，心臟干細胞移植更多的保護作用主要得益于旁分泌機制[5]，而非直接分化成心肌細胞或血管內皮細胞，移植的干細胞在損傷部位釋放作用因子從而促進心肌細胞的增殖存活和血管新生，增加心臟功能，這些旁分泌機制可誘發(fā)移植干細胞在心臟中持續(xù)至少1年的增殖反應。

在旁分泌過程中能分泌出多種旁分泌因子，這些因子對心肌的修復起著重要作用，外泌體是干細胞旁分泌效應中發(fā)揮主要作用的因子，代表干細胞的生物活性成分。外泌體為直徑在(40～100) nm的細胞衍生囊泡樣小體[6]，由細胞內內溶酶體微粒內陷形成，存在于血液、尿液、唾液、腹水等生物體液中。不同類型的細胞在正?；虿±頎顟B(tài)下均可分泌外泌體[7]，其包含類似表面蛋白受體、脂質mRNA、微小RNA和轉錄因子等，由于來源不同有其特異性。當多細胞體與質膜融合或直接從質膜釋放時，外泌體從細胞釋放，其可以在不同細胞之間運輸并影響受體細胞中的生理途徑[8]。由于外泌體的膜性結構能阻止血清中的蛋白酶對其攜帶的蛋白分子如細胞因子等的降解，所以可作為體內細胞之間信息傳遞的載體，外泌體囊泡上也有特異的細胞結合位點，能夠與細胞膜相融合，將囊泡內的物質轉運入靶細胞。

心臟干細胞衍生的外泌體不僅可避免干細胞移植時畸胎瘤的形成、免疫反應、細胞增殖分化有限等問題，同時提供生長因子等細胞保護因子，能夠抗凋亡、抗纖維化，促進血管生成，增強心肌分化，修復受損組織，即外泌體可產生細胞療法對損傷后心肌修復的有益作用。Barile 等[9]發(fā)現(xiàn)人類心臟干細胞分泌的外泌體可將心臟干細胞中有改善心肌損傷作用的因子傳遞給心肌細胞，增強內源性心肌干細胞的激活與增殖，促進血管新生，調控心臟炎癥反應，保護并修復心肌組織。Giricz 等[10]發(fā)現(xiàn)缺血預處理可以誘導分泌更多的外泌體，進而減小心肌梗死面積。

2 心臟干細胞源外泌體與microRNA

外泌體含有大量與其結構和功能密切相關的microRNA和蛋白質，外泌體作為一種亞細胞結構有其獨特的生物學特征。外泌體可通過四種主要的旁分泌方式將信息傳遞至靶細胞，即外泌體膜的配體可以激活受體或下游的信號通路、外泌體內含有活化的受體可以在細胞之間轉運、外泌體內含有蛋白質可以進行蛋白質的傳遞、外泌體內含有microRNA或RNA可以進行遺傳物質的傳遞。外泌體轉移的蛋白和RNA等[11]，特別是microRNA可通過自分泌或旁分泌的方式作用于自身或遠隔的靶細胞并調節(jié)其功能，既能促進或抑制心肌細胞的凋亡，也能調控活性氧所致的心臟病，并在細胞自主和非細胞自主方式中發(fā)揮強有力的血管生成控制作用，同時參與心臟重塑過程，對心血管疾病的治療至關重要。Shao 等[12]的研究發(fā)現(xiàn)干細胞分泌的外泌體治療效果優(yōu)于干細胞，microRNA測序結果表明外泌體和干細胞有類似的microRNA表達譜，這可能是外泌體可以取代干細胞進行心臟修復的原因之一，而外泌體表達的microRNA也有異于干細胞，可以產生更好的治療效果。

microRNA是由18～24個核苷酸組成的內源性RNA，在基因轉錄后水平調控目的基因，通過抑制microRNA轉錄或促進，microRNA降解來調控基因表達，從而建立一個基本的調控網絡。microRNA與心血管疾病的治療息息相關，例如microRNA- 146可通過抑制促炎癥途徑抑制內皮細胞活化來抑制局部缺血/再灌注損傷[13]，miR- 126可改善心肌新生血管的形成[14]等。

3 microRNA對心臟的保護作用

心臟干細胞源外泌體的microRNA對心臟具有保護作用，主要包括其可以減少心肌細胞凋亡、促進血管生成和減少纖維化等。由于microRNA種類、處理方式等的不同，其對心臟的作用與效果也有所差別。例如心臟干細胞源外泌體中的miR- 222可影響心肌細胞凋亡和抗遷移[15]，miR- 320有誘導心肌細胞增殖和刺激血管生成的作用[16- 17]，miR- 146a[18]、miR- 185[19]則與抗纖維化相關。

3.1 減少心肌細胞凋亡 心肌細胞凋亡可影響心臟功能，心肌梗死時心肌細胞的凋亡可導致心室重塑和心力衰竭，心臟干細胞源外泌體分泌的microRNA是心臟保護和再生的關鍵因素，可減少心肌細胞的凋亡。Xiao等[20]發(fā)現(xiàn)氧化應激能誘導心臟干細胞分泌更多的外泌體，在兩組不同處理來源的外泌體中都能檢測到6種凋亡相關的miRNA，但只在氧化應激誘導的外泌體中能檢測到miR- 21顯著上調，氧化應激還導致H9C2心肌細胞的miR- 21低表達，miR- 21/PDCD4信號軸對H9C2細胞抗凋亡起重要作用，這些結果表明心臟干細胞來源的外泌體miR- 21通過下調PDCD4，對細胞凋亡通路起著抑制作用，用這種外泌體修復miR- 21/PDCD4通路，可以保護心肌細胞，抵御氧化應激引起的凋亡。Chen 等[21]發(fā)現(xiàn)心臟干細胞來源的外泌體高表達miRNA- 451，可以作為一種非細胞的載體保護缺血再灌注損傷，TUNEL染色顯示與對照組相比凋亡細胞減少了53%，明顯抑制了心肌缺血再灌注損傷誘導的細胞凋亡，同時miR- 451簇主要受到心臟發(fā)育早期表達的關鍵轉錄因子GATA- 4的調節(jié)。

3.2 促進血管生成 血管新生是機體對缺氧缺血損傷的代償機制和修復方式，能促進缺血心肌生長出新的有供血能力的小血管，建立起有效的側支循環(huán)，達到恢復缺血心肌的血供。Ibrahim 等[18]在免疫缺陷小鼠中誘導急性心肌梗死，然后將心臟干細胞源的外泌體注入心肌梗死邊界區(qū)，在注射后15 d和30 d，與對照組相比，外泌體處理的心臟瘢痕減少，存活質量增加，梗死壁厚度增加，心臟中炎性細胞因子水平也較低，進一步實驗發(fā)現(xiàn)外泌體內含有明顯的microRNAs補體，特別是miR- 146a的富集，抑制了細胞凋亡并促進心肌細胞的增殖，同時增強血管生成。Barile 等[22]發(fā)現(xiàn)由心臟干細胞分泌的外泌體中最高度富集的miRNA包括miR- 210和miR- 132，miR- 210通過下調其靶標ephrin A3和PTP1b抑制心肌細胞凋亡，miR- 132則可下調其靶標RasGAP- p120增強內皮細胞中新生血管的形成，改善左室射血分數。

3.3 減少纖維化 心肌纖維化是以成纖維細胞過度增殖、膠原過度沉積及異常分布為特征的，纖維化是心肌梗死后心臟間質重構最重要的病理過程之一，心肌梗死后的炎癥反應可造成纖維細胞、平滑肌細胞增生，使得動脈壁變厚、管腔狹窄，參與心臟重塑和心衰等病理生理過程。Vandergriff等[23]發(fā)現(xiàn)心臟干細胞衍生的外泌體所攜帶的miRNA可通過抑制轉化生長因子- β(TGF- β)信號通路降低纖維化并減少細胞凋亡。Gray 等[24]在評估心臟干細胞分泌的外泌體對心臟內皮細胞和心臟成纖維細胞的血管生成和抗纖維化作用的研究發(fā)現(xiàn)，缺氧預處理的心臟干細胞分泌的外泌體與在正常氧條件下生長的外泌體相比上調了11種miRNA，特別是miR292，miR103，miR17的上調增強了其改善心臟功能的作用、增強內皮細胞的形成、降低TGF- β刺激的成纖維細胞中的促纖維化基因表達，并減少了纖維化。Agarwal等[25]發(fā)現(xiàn)來源于新生兒的心臟干細胞衍生的外泌體microRNA可介導心肌修復，研究中將分離的外泌體輸送至缺血再灌注損傷的無胸腺大鼠中，心肌梗死后3 d、28 d超聲心動圖顯示心功能都有顯著改善，血管生成增加，染色顯示纖維化減少；另外年齡和微環(huán)境中的氧含量可影響人心臟干細胞源的外泌體作用效果。

4 展 望

心臟干細胞具有多能分化潛力，能夠分化為心肌細胞、內皮細胞及血管平滑肌細胞等多種細胞，對心臟損傷后修復有重要意義，心臟病變時心臟干細胞增殖分化，參與心臟損傷修復，以心臟干細胞為基礎的治療方法為心臟修復損傷提供了新的途徑。但移植細胞的高死亡率、移植的途徑及移植細胞帶來的風險仍是限制干細胞在臨床應用的主要問題。心臟干細胞來源的外泌體作為一種非細胞的治療手段可很好地避免這些問題，外泌體內含有的大量與其結構和功能密切相關的miRNA可通過自分泌或旁分泌的方式作用于靶細胞，修復受損心肌。但microRNA對心肌細胞的保護機制、路徑等仍有待進一步的研究；同時，不同種microRNA的基因靶標也存在細微差別，如何進行特異性調節(jié)、為心血管疾病的治療提供新的幫助也需深入的研究。

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