星形膠質(zhì)細(xì)胞分泌的外泌體在中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病中的作用機(jī)制研究進(jìn)展

裴美娟，李婭麗，涂 悅 綜述 李學(xué)文 審校

星形膠質(zhì)細(xì)胞是人腦中含量最豐富的膠質(zhì)細(xì)胞，在腦組織中具有重要作用，如參與突觸的形成與重塑、調(diào)節(jié)神經(jīng)元代謝及對(duì)血腦屏障的維持等。星形膠質(zhì)細(xì)胞是神經(jīng)炎性反應(yīng)的主要參與者，是中樞神經(jīng)系統(tǒng)炎性反應(yīng)介質(zhì)的主要來源，雖然星形膠質(zhì)細(xì)胞介導(dǎo)的神經(jīng)炎性反應(yīng)最終目標(biāo)是修復(fù)損傷和恢復(fù)腦內(nèi)穩(wěn)態(tài)，但該反應(yīng)的結(jié)果并不總是有益的，尤其對(duì)于神經(jīng)退行性病變，長(zhǎng)期暴露在炎性刺激下可能會(huì)產(chǎn)生神經(jīng)毒性。因此，星形膠質(zhì)細(xì)胞對(duì)大腦內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定具有重要作用。外泌體在腦細(xì)胞之間的信號(hào)或分子生物傳遞中都發(fā)揮著重要作用，星形膠質(zhì)細(xì)胞分泌的外泌體中富含各種生物分子，包括特定的蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和核糖核酸(ribonucleic acid，RNA)等。星形膠質(zhì)細(xì)胞在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中具有重要作用，而其中外泌體是最重要的因素之一，可促進(jìn)星形膠質(zhì)細(xì)胞和其他細(xì)胞之間的溝通。本文就星形膠質(zhì)細(xì)胞源性外泌體在中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病中的作用進(jìn)行綜述。

1 星形膠質(zhì)細(xì)胞外泌體的重要性

星形膠質(zhì)細(xì)胞是中樞神經(jīng)系統(tǒng)的重要免疫細(xì)胞，在生理和病理?xiàng)l件下，星形膠質(zhì)細(xì)胞通過細(xì)胞間接觸、釋放可溶性因子(如趨化因子、細(xì)胞因子和自由基)和通過分泌的外泌體交換生物分子，與周圍細(xì)胞同時(shí)進(jìn)行物質(zhì)交換。星形膠質(zhì)細(xì)胞分泌的外泌體形狀各異，大小100 nm～1 μm，由于其具有長(zhǎng)距離的擴(kuò)散能力，是調(diào)節(jié)周圍星形膠質(zhì)細(xì)胞群體和周圍不同細(xì)胞類型活動(dòng)的有效途徑。蛋白質(zhì)組學(xué)分析了星形膠質(zhì)細(xì)胞分泌的外切體中蛋白質(zhì)含量，包括多種酶、伴侶、四環(huán)素和膜受體。但外泌體的生物活性和組成取決于供體細(xì)胞的狀態(tài)、細(xì)胞外刺激和下游信號(hào)通路，如三磷酸腺苷誘導(dǎo)星形膠質(zhì)細(xì)胞分泌的外泌體富含白細(xì)胞介素1(Interleukin 1，IL-1)b和甘油醛-3-磷酸脫氫酶，可調(diào)節(jié)腦內(nèi)神經(jīng)炎性反應(yīng)。

生理?xiàng)l件下，星形膠質(zhì)細(xì)胞分泌的外泌體富含神經(jīng)保護(hù)和神經(jīng)營養(yǎng)成分。例如，星形膠質(zhì)細(xì)胞分泌的外泌體可促進(jìn)神經(jīng)元產(chǎn)生神經(jīng)酰胺和鞘氨醇，對(duì)突觸傳遞具有關(guān)鍵的調(diào)節(jié)作用。星形膠質(zhì)細(xì)胞分泌的外泌體在其表面攜帶內(nèi)源性大麻素N-花生四烯酰乙醇胺，攜帶該物質(zhì)的外泌體可刺激γ-氨基丁酸能神經(jīng)元表達(dá)的1型大麻受體，并抑制突觸前傳遞。而星形膠質(zhì)細(xì)胞在氧化應(yīng)激、營養(yǎng)缺乏、炎性反應(yīng)等異常條件下釋放的外泌體則具有神經(jīng)保護(hù)作用，并促進(jìn)軸突再生和生長(zhǎng)。發(fā)生炎性反應(yīng)時(shí)，星形膠質(zhì)細(xì)胞可改變外泌體中的成分，通過調(diào)節(jié)神經(jīng)元的興奮性來抑制炎性反應(yīng)。星形膠質(zhì)細(xì)胞也會(huì)根據(jù)細(xì)胞外的不同刺激而改變外泌體成分。例如，在正常的細(xì)胞外刺激下，星形膠質(zhì)細(xì)胞源性外泌體內(nèi)含有促進(jìn)軸突生長(zhǎng)、突觸傳遞和神經(jīng)元存活的蛋白質(zhì)。而當(dāng)星形膠質(zhì)細(xì)胞暴露在炎性刺激下時(shí)，則可通過外泌體中的IL-1b調(diào)節(jié)外周免疫反應(yīng)。此外，星形膠質(zhì)細(xì)胞源性外泌體的內(nèi)容物還可根據(jù)其他細(xì)胞分泌的外泌體而發(fā)生改變。研究表明，當(dāng)神經(jīng)元源性外泌體中的miRNA被星形膠質(zhì)細(xì)胞攝取后，可調(diào)節(jié)星形膠質(zhì)細(xì)胞的基因表達(dá)，從而促進(jìn)神經(jīng)功能的恢復(fù)和軸突再生。

星形膠質(zhì)細(xì)胞分泌的外泌體中含有蛋白質(zhì)生物標(biāo)記物，這些標(biāo)記物被認(rèn)為與疾病有關(guān)。此外，星形膠質(zhì)細(xì)胞來源的外切體可以保持細(xì)胞特異性標(biāo)記，可識(shí)別親代細(xì)胞的起源、疾病的發(fā)生發(fā)展。從細(xì)胞中釋放的外切體可以從組織中分離出來，然后進(jìn)行檢查，以確定從體液中提取的細(xì)胞來源，從而成為早期監(jiān)測(cè)疾病的標(biāo)志物。星形膠質(zhì)細(xì)胞分泌的外泌體可以通過血腦屏障并被腦細(xì)胞吸收，因此也可作為藥物或藥物載體在藥物靶向治療中發(fā)揮作用。

2 阿爾茨海默病(alzheimer’s disease，AD)

A.是一種遲發(fā)性神經(jīng)系統(tǒng)疾病，由于神經(jīng)元受損或死亡而導(dǎo)致記憶力和認(rèn)知能力逐步喪失。AD的病理特征是含有β淀粉樣蛋白及含有Tau蛋白，而AD患者中神經(jīng)系統(tǒng)炎性反應(yīng)、星形膠質(zhì)細(xì)胞激活和細(xì)胞變性之間存在復(fù)雜的關(guān)系。研究顯示，釋放到血清中的β淀粉樣蛋白和Tau蛋白有可能來自于星形膠質(zhì)細(xì)胞來源的外泌體[1]。Tau是一種與微管相關(guān)的神經(jīng)元蛋白，在變性的神經(jīng)元中異常堆積，可選擇性地被星形膠質(zhì)細(xì)胞攝取，攝取Tau蛋白后的星形膠質(zhì)細(xì)胞及其分泌的外泌體都可釋放Tau蛋白，并隨后被皮質(zhì)神經(jīng)元攝取，從而進(jìn)一步促進(jìn)Tau病理性擴(kuò)散，而減少星形膠質(zhì)細(xì)胞或外切體則可減少Tau的傳播[2]。外泌體不僅在Tau的釋放和細(xì)胞間傳遞中發(fā)揮作用，研究還表明從Tau轉(zhuǎn)基因小鼠腦中分離出的外泌體注射到野生型小鼠中時(shí)可以促進(jìn)Tau病理的播種，但其具體機(jī)制還不十分清楚。最近的另一項(xiàng)研究表明，暴露于β淀粉樣蛋白的星形膠質(zhì)細(xì)胞也可通過轉(zhuǎn)化為A1型反應(yīng)性星形膠質(zhì)細(xì)胞，進(jìn)一步導(dǎo)致AD的神經(jīng)細(xì)胞死亡和損傷[3]。Goetzl等[4]通過量化星形膠質(zhì)細(xì)胞來源外泌體的補(bǔ)體蛋白以探討星形膠質(zhì)細(xì)胞的作用，結(jié)果顯示，AD患者含C1q、C4b、C3d、B因子和C5b-C9的外泌體顯著高于正常組，而補(bǔ)體調(diào)節(jié)蛋白CD59、CD46、衰變加速因子和I型補(bǔ)體受體的水平均顯著低于正常組，且隨著AD分期的加重而逐漸降低，但AD患者中的IL-6、腫瘤壞死因子-α和IL-1β水平顯著高于對(duì)照組，結(jié)果表明補(bǔ)體蛋白失調(diào)可能在AD晚期炎性反應(yīng)階段損傷神經(jīng)元。

另外，AD患者星形膠質(zhì)細(xì)胞分泌的外泌體可誘導(dǎo)受體神經(jīng)元上的膜攻擊復(fù)合體表達(dá)，并導(dǎo)致神經(jīng)膜破裂、降低軸突密度，最終降低神經(jīng)元的存活率，但同時(shí)該外泌體對(duì)神經(jīng)元的損傷作用可被膜攻擊復(fù)合體抑制劑及其他補(bǔ)體抑制劑抑制，因此該抑制劑有望用于AD患者的治療[5]。而對(duì)AD中星形膠質(zhì)細(xì)胞來源的外泌體蛋白的定量分析表明，外泌體內(nèi)β-位淀粉樣前體蛋白裂解酶1(β-site amyloid precursor protein-cleaving enzyme ，BACE-1)顯著增高，因此外泌體還可能成為BACE-1抑制劑治療AD的有效靶點(diǎn)[6]。因此，星形膠質(zhì)細(xì)胞分泌的外泌體在腦靶向治療中也可能具有重要作用。

3 腦缺血及腦卒中

星形膠質(zhì)細(xì)胞對(duì)卒中后的神經(jīng)元既有保護(hù)作用，也有不良影響。研究顯示，在卒中后急性期，星形膠質(zhì)細(xì)胞可通過減少病變擴(kuò)展、抗興奮毒性效應(yīng)和分泌神經(jīng)營養(yǎng)素而發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)作用[7]。星形膠質(zhì)細(xì)胞分泌的外泌體則可通過調(diào)節(jié)自噬抑制氧和葡萄糖剝奪誘導(dǎo)的半胱氨酸蛋白酶-3、Bax表達(dá)以及腫瘤壞死因子-α、IL-6、IL-1β水平升高，最終抑制神經(jīng)元的的凋亡并減輕神經(jīng)元損傷[8, 9]。朊蛋白可保護(hù)神經(jīng)細(xì)胞免受氧化應(yīng)激、缺氧、缺血和低血糖癥的侵害，而在缺氧和缺血條件下，星形膠質(zhì)細(xì)胞可釋放含有朊蛋白的外泌體，并被神經(jīng)元攝取，從而促進(jìn)37/67 kDa層粘連蛋白受體、載脂蛋白E和核糖體蛋白S3表達(dá)，但簇蛋白/載脂蛋白J的表達(dá)降低，最終促進(jìn)神經(jīng)元存活，因此缺血后星形膠質(zhì)細(xì)胞外泌體的神經(jīng)保護(hù)作用與星形膠質(zhì)細(xì)胞分泌的外泌體中朊蛋白相關(guān)，而與神經(jīng)元中的朊蛋白無關(guān)[10]。

此外，星形膠質(zhì)細(xì)胞分泌的外泌體中的miRNA在腦卒中后的神經(jīng)元中也具有重要作用，如缺血前可將miRNA-92b-3p轉(zhuǎn)移至神經(jīng)元，起到保護(hù)神經(jīng)元的作用[11]，外泌體中的miRNA-361則可通過靶向組織蛋白酶B并下調(diào)AMPK / mTOR信號(hào)途徑保護(hù)卒中后的神經(jīng)損傷[12]，而含有miR-181c-3p的外泌體可通過下調(diào)星形膠質(zhì)細(xì)胞趨化因子(C-X-C基序)配體1而抑制缺血性腦損傷后的神經(jīng)炎性反應(yīng)[13]，富含miR-133b的星形膠質(zhì)細(xì)胞源性外泌體則可降低結(jié)締組織生長(zhǎng)因子和Ras同源基因家族成員A的表達(dá)，最終促進(jìn)卒中后神經(jīng)軸突的重塑與功能恢復(fù)[14]。此外，含有前列腺素D2合酶的星形膠質(zhì)細(xì)胞源性外泌體也有助于卒中后神經(jīng)元軸突的生長(zhǎng)和功能恢復(fù)[15]。含有miRNA-34c的星形膠質(zhì)細(xì)胞源性外泌體可靶向Toll樣受體7(toll-like receptor 7 ，TLR7)，下調(diào)NF-κB/ MAPK信號(hào)傳導(dǎo)，而低表達(dá)miR-34c的星形膠質(zhì)細(xì)胞對(duì)缺血性神經(jīng)損傷的保護(hù)作用也會(huì)下降，但NF-κB或MAPK特異性抑制劑治可部分恢復(fù)期保護(hù)作用[16]。

4 肌萎縮性側(cè)索硬化癥(amyotrophic lateral sclerosis，ALS)

A.S是最常見的運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元病，可導(dǎo)致大腦、腦干和脊髓運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元進(jìn)行性喪失，目前還沒有有效的治療方法，且運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元損傷的途徑尚不清楚，但星形膠質(zhì)細(xì)胞在ALS中具有重要作用。研究顯示，ALS動(dòng)物模型中星形膠質(zhì)細(xì)胞分泌的外泌體含有ALS的致病蛋白，如超氧化物歧化酶1(superoxide dismutase1 ，SOD1)，且在早期ALS患者中也有發(fā)現(xiàn)[17]。另一項(xiàng)研究表明，星形膠質(zhì)細(xì)胞分泌的外泌體可有效地將突變的SOD1轉(zhuǎn)移到脊髓神經(jīng)元并誘導(dǎo)選擇性運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元死亡，表明突變型SOD1的表達(dá)可通過星形膠質(zhì)細(xì)胞傳遞，從而有助于運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元病理和疾病擴(kuò)散[18]。而含有miR-124A的神經(jīng)源性外切體則可被星形膠質(zhì)細(xì)胞攝取，從而促進(jìn)膠質(zhì)谷氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1的表達(dá)，最終調(diào)節(jié)細(xì)胞外谷氨酸水平，促進(jìn)突觸ALS的神經(jīng)元激活[19]。

由于炎性反應(yīng)是ALS的主要致病因素之一，但對(duì)于ALS患者很難進(jìn)行腦組織活檢，分析中樞神經(jīng)系統(tǒng)炎性反應(yīng)與疾病進(jìn)展之間的關(guān)系較困難，而星形膠質(zhì)細(xì)胞分泌的外泌體可進(jìn)行體外相關(guān)研究，因此有研究探討ALS患者星形膠質(zhì)細(xì)胞分泌的外泌體中IL-6的水平及其與ALS的相關(guān)性。結(jié)果顯示，ALS患者星形膠質(zhì)細(xì)胞源性外切體中的IL-6水平升高，且與疾病進(jìn)展速度呈正相關(guān)，但I(xiàn)L-6水平僅與病程小于12個(gè)月的患者疾病進(jìn)展率有關(guān)聯(lián)，提示星形膠質(zhì)細(xì)胞源性外泌體與ALS患者的病理生理相關(guān)[20]。

5 帕金森病(parkinson’s disease，PD)

α-突觸核蛋白水平在PD發(fā)病機(jī)制中起重要作用，含有α-突觸核蛋白的細(xì)胞(包括星形膠質(zhì)細(xì)胞)功能障礙可能在PD的發(fā)生或進(jìn)展中具有關(guān)鍵作用，抑制該途徑α-突觸核蛋白有望用于治療PD。研究顯示，胞外α-突觸核蛋白可被鄰近細(xì)胞，特別是小膠質(zhì)細(xì)胞和星形膠質(zhì)細(xì)胞攝取，并在溶酶體內(nèi)降解，因此α-突觸核蛋白通過星形膠質(zhì)細(xì)胞轉(zhuǎn)移是細(xì)胞清除α-突觸核蛋白的重要途徑之一[21]。但同時(shí)，星形膠質(zhì)細(xì)胞攝取含有α-突觸核蛋白的外泌體后，會(huì)導(dǎo)致星形膠質(zhì)細(xì)胞內(nèi)的蛋白失衡或功能失調(diào)而發(fā)生自噬反應(yīng)，最終破壞星形膠質(zhì)細(xì)胞的功能[22]。

多巴胺能神經(jīng)元易受氧化應(yīng)激的影響，星形膠質(zhì)細(xì)胞可保護(hù)神經(jīng)元免受鐵介導(dǎo)(PD患者的多巴胺代謝產(chǎn)物誘導(dǎo)產(chǎn)生)的毒性損害作用。星形膠質(zhì)細(xì)胞能夠通分泌外泌體而向神經(jīng)元提供必要的轉(zhuǎn)錄因子或神經(jīng)營養(yǎng)因子，而增強(qiáng)其對(duì)氧化損傷的抵抗力，因此星形膠質(zhì)細(xì)胞與多巴胺能神經(jīng)元之間的物質(zhì)傳遞可能與PD發(fā)病相關(guān)[23]。而星形膠質(zhì)細(xì)胞分泌的外泌體中miRNA-200a-3p可通過下調(diào)絲裂原活化蛋白激酶4通路來阻止PD多巴胺能神經(jīng)元的凋亡，從而對(duì)多巴胺能神經(jīng)元發(fā)揮保護(hù)作用。此外，另一項(xiàng)研究表明，人星形膠質(zhì)細(xì)胞和少突膠質(zhì)細(xì)胞分泌的外泌體可作為PD患者的診斷生物標(biāo)志物，且其外泌體與UPDRSⅢ評(píng)分呈顯著正相關(guān)[24]。

綜上所述，星形膠質(zhì)細(xì)胞分泌的外泌體在各種臨床應(yīng)用中具有相當(dāng)大的潛力，星形膠質(zhì)細(xì)胞分泌的外泌體對(duì)神經(jīng)元也具有重要作用，其外泌體的組成、大小、濃度和釋放速率因細(xì)胞類型和病理生理?xiàng)l件的不同而改變。因此，星形膠質(zhì)細(xì)胞分泌的外泌體可用于中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的病理生理過程研究，而外泌體內(nèi)的不同物質(zhì)還可作為中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的診斷或預(yù)后分析的生物標(biāo)志物。此外，星形膠質(zhì)細(xì)胞分泌外泌體能夠穿過血腦屏障，被各種腦細(xì)胞攝取，因此其可作為藥物或藥物載體用于靶向治療。雖然在體外可輕易獲得特異性細(xì)胞類型分泌的外泌體，但是由于體內(nèi)細(xì)胞外空間是來自不同細(xì)胞源性外泌體的混合而很難進(jìn)行區(qū)分，因此限制了外泌體的體內(nèi)相關(guān)研究。總之，星形膠質(zhì)細(xì)胞分泌的外泌體在中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病中具有重要作用，盡管大部分研究仍處于動(dòng)物研究階段，但其潛在的臨床應(yīng)用價(jià)值很大，因此具有較大的研究?jī)r(jià)值。