間充質(zhì)干細(xì)胞來(lái)源的外泌體在血管損傷修復(fù)中的研究進(jìn)展

李禹兵，高 凌，羅 登

(武漢大學(xué)人民醫(yī)院內(nèi)分泌科，武漢 430060)

最初認(rèn)為，間充質(zhì)干細(xì)胞能聚集到組織損傷處，但在組織損傷處間充質(zhì)干細(xì)胞并不穩(wěn)定且分化較低，大部分移植的間充質(zhì)干細(xì)胞出現(xiàn)了細(xì)胞凋亡，未直接參與組織再生[1-2]。有證據(jù)表明，間充質(zhì)干細(xì)胞使組織再生和修復(fù)的主要機(jī)制可能為旁分泌作用[3]。而外泌體是間充質(zhì)干細(xì)胞旁分泌作用的主要物質(zhì)。研究表明，間充質(zhì)干細(xì)胞來(lái)源的外泌體(mesenchymal stem cell-derived exosomes，MSC-EXO)能抗心肌細(xì)胞凋亡，使心肌梗死面積縮小[4]。在腎缺血再灌注損傷模型中，MSC-EXO可以通過(guò)抑制纖維化、抗炎、減輕氧化應(yīng)激及促進(jìn)血管新生作用來(lái)保護(hù)腎臟功能[5]。且已有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，來(lái)源于脂肪間充質(zhì)干細(xì)胞的外泌體具有減輕肝臟缺血再灌注損傷的功能，具體作用機(jī)制為維持肝血流量、改善血管內(nèi)皮功能、抗炎癥反應(yīng)、抑制氧化應(yīng)激及抗凋亡作用[6]。研究發(fā)現(xiàn)，MSC-EXO可與肝細(xì)胞結(jié)合，使肝細(xì)胞分泌生長(zhǎng)因子促進(jìn)肝細(xì)胞再生[7-8]。在四氯化碳肝損傷模型中，MSC-EXO能夠抑制肝細(xì)胞凋亡[9]。目前，MSC-EXO在不同組織再生中的應(yīng)用包括：心血管再生，腎臟損傷修復(fù)，肝臟損傷修復(fù)，骨、軟骨及骨骼肌再生，神經(jīng)組織再生，口腔組織再生和皮膚創(chuàng)口愈合[10]。其中，血管損傷的修復(fù)在組織再生中具有關(guān)鍵作用。研究表明，MSC-EXO能改善血管損傷并促進(jìn)血管再生[11]?，F(xiàn)就MSC-EXO在血管損傷修復(fù)中的作用機(jī)制和應(yīng)用前景予以綜述。

1 外泌體的概念及其生物學(xué)特性

外泌體是由細(xì)胞內(nèi)多囊泡體分泌的直徑為30～200 nm的亞細(xì)胞雙層膜囊泡。幾乎所有類型的細(xì)胞均可分泌外泌體，包括干細(xì)胞，并存在于大多數(shù)體液(尿液、血液、唾液、腦脊液及腹水)中[12]。外泌體大致分泌過(guò)程為：細(xì)胞內(nèi)多囊泡體通過(guò)細(xì)胞膜的內(nèi)陷形成并選擇性地加載含有蛋白質(zhì)、信使RNA和微RNAs(microRNAs，miRNAs)的胞內(nèi)體。當(dāng)多囊泡體與細(xì)胞膜融合時(shí)，多囊泡體將這些胞內(nèi)體釋放成為細(xì)胞外泌體，而微囊泡(200～1 000 nm)可直接通過(guò)細(xì)胞膜以胞吐形式釋放[13]。外泌體介導(dǎo)細(xì)胞間的信息交流。外泌體與受體細(xì)胞結(jié)合，可通過(guò)一系列信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)作用，調(diào)控受體細(xì)胞的生理功能，并通過(guò)向受體細(xì)胞轉(zhuǎn)移多種生物活性分子發(fā)揮生物學(xué)特性[14]。與脂質(zhì)體類似，外泌體作為藥物運(yùn)載工具受到廣泛關(guān)注：①納米大小的外泌體可以很容易地在細(xì)胞間轉(zhuǎn)移。②外泌體的脂質(zhì)雙層膜結(jié)構(gòu)為生物活性分子在細(xì)胞外環(huán)境中的降解提供了一個(gè)受保護(hù)的環(huán)境[15]。③外泌體的免疫原性和毒性較其他給藥策略低[16]。④具有特定表面蛋白(整合素)的外泌體，可定向到特定的器官[17]。這表明，外泌體是可以用于向損傷組織遞送治療藥物、干擾小RNA或蛋白質(zhì)的良好載體。

研究表明，在抗癌治療中，外泌體可以作為潛在的藥物運(yùn)載工具或無(wú)細(xì)胞疫苗[18]。因此，在臨床和轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)中，外泌體的應(yīng)用將會(huì)越來(lái)越廣泛，相比干細(xì)胞的移植治療有明顯優(yōu)勢(shì)，如外泌體不促進(jìn)腫瘤發(fā)展，無(wú)不良反應(yīng)(免疫排斥反應(yīng)、發(fā)熱、過(guò)敏反應(yīng)和溶血反應(yīng))。另外，外泌體攜帶的蛋白質(zhì)可發(fā)揮更好的治療效果[19]，將來(lái)也許會(huì)徹底代替間充質(zhì)干細(xì)胞。

2 MSC-EXO在血管損傷修復(fù)中的作用機(jī)制

2.1抑制血管炎癥反應(yīng) 血管炎癥反應(yīng)促進(jìn)了血管功能障礙的發(fā)生、發(fā)展，而炎癥因子在血管炎癥反應(yīng)中起關(guān)鍵作用。如腫瘤壞死因子是由內(nèi)皮細(xì)胞及多種炎癥細(xì)胞產(chǎn)生的一種炎癥因子，當(dāng)與血管內(nèi)皮細(xì)胞受體結(jié)合時(shí)，可經(jīng)細(xì)胞毒性作用導(dǎo)致血管內(nèi)皮細(xì)胞破壞壞死，進(jìn)而引起血管內(nèi)皮功能障礙[20]。另一種前炎癥細(xì)胞因子白細(xì)胞介素-1β能激活多種炎癥細(xì)胞，并誘導(dǎo)內(nèi)皮細(xì)胞表達(dá)細(xì)胞間黏附分子-1和E選擇素等內(nèi)皮黏附分子，促進(jìn)血液內(nèi)白細(xì)胞黏著于血管內(nèi)皮細(xì)胞表面，加重炎癥反應(yīng)，釋放細(xì)胞毒性物質(zhì)，從而產(chǎn)生血管損傷。研究表明，MSC-EXO能顯著降低腫瘤壞死因子-α和白細(xì)胞介素-1β的表達(dá)水平，上調(diào)抗炎因子(白細(xì)胞介素-10)表達(dá)，并顯著促進(jìn)血管生成[21]。此外，MSC-EXO還可減少炎癥細(xì)胞的浸潤(rùn)，減少趨化因子分泌，從而降低炎癥反應(yīng)[22]。研究發(fā)現(xiàn)，MSC-EXO可抑制炎癥因子和肺內(nèi)巨噬細(xì)胞流所引起的肺血管炎癥反應(yīng)[23]。且MSC-EXO中的miRNAs在抗炎癥反應(yīng)中也起重要作用，MSC-EXO攜帶和分泌的miR-181，可通過(guò)核因子κB信號(hào)通路抑制血管炎癥反應(yīng)[24-25]。因此，MSC-EXO可通過(guò)調(diào)節(jié)炎癥因子水平、減少炎癥細(xì)胞浸潤(rùn)和釋放多種miRNAs來(lái)抑制血管炎癥反應(yīng)，從而對(duì)血管損傷的修復(fù)起重要作用。

2.2抗氧化應(yīng)激 氧化應(yīng)激是血管損傷的機(jī)制之一。炎癥反應(yīng)和氧化應(yīng)激可相互促進(jìn)其發(fā)展，從而形成惡性循環(huán)，共同促進(jìn)血管損傷的發(fā)生和發(fā)展。當(dāng)發(fā)生血管炎癥反應(yīng)時(shí)，血管內(nèi)皮細(xì)胞和平滑肌細(xì)胞均可分泌超氧陰離子，同時(shí)浸潤(rùn)的白細(xì)胞可經(jīng)還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶產(chǎn)生多種活性氧類；此外，巨噬細(xì)胞分泌的促炎癥因子可增加還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶活性，促進(jìn)活性氧類的產(chǎn)生，引起活性氧分子和活性氧自由基增加，最終導(dǎo)致氧化應(yīng)激，血管內(nèi)皮細(xì)胞和平滑肌細(xì)胞凋亡，從而引起血管損傷。研究發(fā)現(xiàn)，miR-214-鈣調(diào)蛋白依賴蛋白激酶Ⅱ軸可調(diào)控心臟干細(xì)胞氧化應(yīng)激相關(guān)損傷，如細(xì)胞凋亡、鈣穩(wěn)態(tài)失衡和過(guò)量的活性氧產(chǎn)生，而應(yīng)用MSC-EXO能顯著降低心臟干細(xì)胞氧化應(yīng)激損傷后的細(xì)胞凋亡率和減少活性氧的產(chǎn)生；且該研究證實(shí)，外泌體中的miR-214是MSC-EXO保護(hù)心臟干細(xì)胞免受氧化應(yīng)激損傷的主要效應(yīng)分子[26]。此外，有研究表明內(nèi)皮祖細(xì)胞來(lái)源的外泌體可使活性氧的生成減少,從而抑制氧化應(yīng)激，維持血管內(nèi)皮細(xì)胞功能[27]。動(dòng)脈粥樣硬化是一種慢性進(jìn)行性血管破壞性疾病，研究表明干細(xì)胞分泌的外泌體能抗氧化應(yīng)激，阻礙動(dòng)脈粥樣硬化的惡性發(fā)展[28]。因此，MSC-EXO也可通過(guò)抗氧化應(yīng)激，減少細(xì)胞凋亡，修復(fù)血管損傷。

2.3抑制細(xì)胞凋亡 血管平滑肌細(xì)胞增殖與凋亡的失衡是血管損傷的原因之一。如長(zhǎng)期血管炎癥反應(yīng)會(huì)引起血管平滑肌細(xì)胞過(guò)度凋亡及主動(dòng)脈中膜厚度變薄和直徑變大，最終導(dǎo)致胸主動(dòng)脈瘤的形成。Cabal-Hierro和Lazo[29]研究表明，MSC-EXO可通過(guò)抑制腫瘤壞死因子受體相關(guān)因子6 減少細(xì)胞凋亡。在缺血心肌中，學(xué)者發(fā)現(xiàn)心臟祖細(xì)胞分泌的外泌體能抑制心肌細(xì)胞凋亡和促進(jìn)血管生成[30]。MSC-EXO可轉(zhuǎn)運(yùn)多種RNA(信使RNA、miRNAs)到靶細(xì)胞，如miR-504、miR-23等，同時(shí)誘導(dǎo)靶細(xì)胞分泌一些因子，如肝細(xì)胞生長(zhǎng)因子和血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子等，最終抑制細(xì)胞凋亡和促進(jìn)細(xì)胞增殖[31]。有研究表明，miRNAs具有調(diào)控細(xì)胞增殖、生長(zhǎng)、凋亡和分化等多種生物學(xué)功能[32]。而血管平滑肌細(xì)胞的增殖和凋亡受miRNAs調(diào)控。其中，miR-504過(guò)表達(dá)可通過(guò)調(diào)控抑癌基因p53的表達(dá)促進(jìn)血管平滑肌細(xì)胞的增殖和抑制其凋亡[33]。miR-23通過(guò)降低促凋亡蛋白(Bcl-2相關(guān)X蛋白)和胱天蛋白酶3水平抑制血管平滑肌細(xì)胞凋亡和促進(jìn)血管平滑肌細(xì)胞的增殖[34]。此外，心臟干細(xì)胞來(lái)源的外泌體可以裝載miR-210，miR-210被轉(zhuǎn)移到心肌細(xì)胞中，抑制心肌細(xì)胞的凋亡[35]。Bian等[36]發(fā)現(xiàn)，MSC-EXO能顯著縮小急性心肌梗死兔模型中的心肌梗死面積，促進(jìn)新生血管形成，并改善心功能。在急性腎損傷小鼠的模型中，學(xué)者發(fā)現(xiàn)MSC-EXO能通過(guò)抑制細(xì)胞凋亡和促進(jìn)細(xì)胞增殖，保護(hù)腎功能[37]?？梢?jiàn)，控制血管平滑細(xì)胞凋亡和增殖的平衡有助于血管損傷的修復(fù)，而MSC-EXO在其中具有重要的調(diào)控作用。

2.4促進(jìn)血管新生 血管新生障礙是血管損傷修復(fù)延遲的主要原因，會(huì)造成血管供血不足，從而引起組織、器官損傷修復(fù)障礙。有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，源自人脂肪間充質(zhì)干細(xì)胞的外泌體可以被血管內(nèi)皮細(xì)胞攝取，并能促進(jìn)血管新生[38]。外泌體中含有豐富的miR-125a，miR-125a在血管形成過(guò)程中具有重要作用，可以減少PLL4的表達(dá)，促進(jìn)血管形成。將miR-125a基因敲除后，外泌體的促血管新生作用則被明顯抑制[39]。另有研究發(fā)現(xiàn)，在小鼠全層皮膚缺損的動(dòng)物模型中，外泌體有助于缺損處的血管新生和成熟[40]。且從多種細(xì)胞培養(yǎng)上清中提取的外泌體可通過(guò)促進(jìn)血管新生，提高皮膚組織的修復(fù)、創(chuàng)面愈合能力。此外，人尿源干細(xì)胞來(lái)源的外泌體可促進(jìn)臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞的遷移、增殖和血管的形成，同時(shí)促進(jìn)大鼠皮膚切口的血管增生，促使受損皮膚組織的修復(fù)與再生[41]。由于血管新生在血管損傷的修復(fù)中起重要作用，所以MSC-EXO也可通過(guò)促血管新生作用促進(jìn)血管損傷的修復(fù)。

2.5抗血管重構(gòu) 血管重構(gòu)是發(fā)生血管損傷的重要原因，是基于血流動(dòng)力學(xué)改變所引起的血管自適應(yīng)性反應(yīng)，涉及細(xì)胞的增殖、肥大、凋亡和遷移，以及細(xì)胞外基質(zhì)的產(chǎn)生和降解失衡。肺動(dòng)脈高壓是血管損傷中常見(jiàn)的血管疾病，其主要由于長(zhǎng)期缺氧導(dǎo)致肺血管重構(gòu)而逐漸形成。文獻(xiàn)報(bào)道，間充質(zhì)干細(xì)胞可通過(guò)旁分泌活動(dòng)分泌外泌體來(lái)抑制Smad2的磷酸化，發(fā)揮抗肺血管重構(gòu)作用，從而抑制低氧誘導(dǎo)的小鼠肺動(dòng)脈高壓的形成和發(fā)展[42]。腹主動(dòng)脈瘤是以炎癥、巨噬細(xì)胞浸潤(rùn)和血管重構(gòu)為特征的嚴(yán)重退行性血管疾病。研究發(fā)現(xiàn)，MSC-EXO可通過(guò)miR-147的抗血管重構(gòu)作用抑制腹主動(dòng)脈瘤形成[43]。另有研究顯示，MSC-EXO通過(guò)miR-204在抗血管重構(gòu)中起重要作用[23]。但是，MSC-EXO抗血管重構(gòu)效應(yīng)的分子機(jī)制有待進(jìn)一步研究。

2.6調(diào)節(jié)巨噬細(xì)胞極化 動(dòng)脈粥樣硬化是一種全身性的慢性炎癥性血管疾病，其可能涉及所有動(dòng)脈內(nèi)膜并引起血管硬化和狹窄，最終導(dǎo)致心腦血管意外和血栓栓塞性疾病[44]。目前，動(dòng)脈粥樣硬化仍是冠狀動(dòng)脈病變的主要原因[45]。而巨噬細(xì)胞產(chǎn)生的許多炎癥細(xì)胞因子在動(dòng)脈粥樣硬化的病變過(guò)程中起促進(jìn)作用[46]。巨噬細(xì)胞主要分化為兩種不同功能的表型：M1型巨噬細(xì)胞和M2型巨噬細(xì)胞，分別發(fā)揮促炎和抗炎作用。雖然M2型巨噬細(xì)胞在早期動(dòng)脈粥樣硬化斑塊中占主要部分，但隨著斑塊進(jìn)展，M2型巨噬細(xì)胞會(huì)向M1型巨噬細(xì)胞轉(zhuǎn)化。M1型巨噬細(xì)胞產(chǎn)生的炎癥因子，與斑塊的不穩(wěn)定及發(fā)生、惡化有關(guān)[47]。而M2 型巨噬細(xì)胞分泌的白細(xì)胞介素-10、抗炎細(xì)胞因子轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β具有穩(wěn)定斑塊和抗動(dòng)脈粥樣硬化的效果。因此，調(diào)節(jié)巨噬細(xì)胞極化有利于抗血管粥樣硬化。此外，骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的應(yīng)用可抑制動(dòng)脈粥樣硬化斑塊的形成和發(fā)展[48]。研究證明，間充質(zhì)干細(xì)胞移植能減小高脂喂養(yǎng)載脂蛋白E基因敲除小鼠的動(dòng)脈粥樣硬化斑塊面積，但具體作用機(jī)制尚不清楚[49]。且MSC-EXO可通過(guò)miR-let7/高遷移率族蛋白A2/核因子κB途徑促進(jìn)M2型巨噬細(xì)胞極化和通過(guò)miR-let7/胰島素樣生長(zhǎng)因子2 mRNA結(jié)合蛋白1/人第10號(hào)染色體缺失的磷酸酶及張力蛋白同源基因途徑抑制巨噬細(xì)胞在斑塊中的浸潤(rùn)共同作用來(lái)改善載脂蛋白E基因敲除小鼠的動(dòng)脈粥樣硬化，其中調(diào)節(jié)巨噬細(xì)胞極化起主要作用[50]。這一發(fā)現(xiàn)拓展了大家對(duì)MSC-EXO影響動(dòng)脈粥樣硬化斑塊炎癥的認(rèn)識(shí)，并為預(yù)防動(dòng)脈粥樣硬化提供了一種潛在方法。因此，MSC-EXO有望作為治療藥物，降低冠心病的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。

3 小 結(jié)

血管損傷主要由血管炎癥反應(yīng)、氧化應(yīng)激、細(xì)胞凋亡、血管新生障礙、血管重構(gòu)和巨噬細(xì)胞極化共同作用引起。不同組織的損傷修復(fù)和再生均涉及到血管再生，而MSC-EXO具有抑制血管炎癥反應(yīng)、抗細(xì)胞凋亡、抑制氧化應(yīng)激、促進(jìn)血管新生、抗血管和調(diào)節(jié)巨噬細(xì)胞極化的功能，因此其在血管損傷修復(fù)中具有重要作用。胸主動(dòng)脈瘤是危重的退行性血管疾病，直徑為60 mm的胸主動(dòng)脈瘤具有極大的破裂風(fēng)險(xiǎn)，主動(dòng)脈瘤一旦破裂，死亡率將高達(dá)80%[51]。目前，其臨床治療方式主要為外科手術(shù)，但手術(shù)死亡率極高。雖然血管內(nèi)動(dòng)脈瘤修補(bǔ)術(shù)和胸段動(dòng)脈瘤修補(bǔ)術(shù)均是微創(chuàng)的介入治療方法，但它們存在著內(nèi)膜和移植物遷移等缺點(diǎn)。因此，需要一種新的方法來(lái)替代胸主動(dòng)瘤的治療，以降低手術(shù)破裂的風(fēng)險(xiǎn)及代替干細(xì)胞治療。而MSC-EXO獨(dú)特的生物學(xué)效應(yīng)，使其能為治療胸主動(dòng)脈瘤提供新策略，未來(lái)可深入研究。