外泌體在糖尿病中的研究進(jìn)展

余雯倩，鄧凡，李清，王賢裕

(湖北醫(yī)藥學(xué)院附屬十堰市太和醫(yī)院麻醉科，湖北 十堰442000)

糖尿病是全球常見的疾病之一，據(jù)統(tǒng)計，在世界范圍內(nèi)糖尿病患者人數(shù)已經(jīng)從1980年的1.08億人上升至2014年的4.22億人，發(fā)病率從4.7%增加至8.5%，呈顯著上升趨勢[1]。糖尿病各種并發(fā)癥以及治療的不良反應(yīng)在很大程度上影響著患者的生活質(zhì)量，威脅著患者的生命健康。糖尿病已經(jīng)成為一個嚴(yán)重的全球公共衛(wèi)生問題。目前臨床治療糖尿病的方法有限，主要是利用藥物將血糖控制在一個相對穩(wěn)定的水平。與傳統(tǒng)的血清或尿液等生物標(biāo)志物相比，外泌體作為生物標(biāo)志物具有更好的穩(wěn)定性。但不同細(xì)胞來源的外泌體目前尚無明確的特征和標(biāo)記進(jìn)行區(qū)分，且由于難以在不干擾內(nèi)源性外泌體功能的情況下標(biāo)記內(nèi)源性外泌體、跟蹤其動態(tài)運動和定義靶細(xì)胞，在體內(nèi)檢測外泌體的作用非常復(fù)雜，這些均導(dǎo)致外泌體的臨床應(yīng)用受到一定限制[2]。近年來，外泌體在糖尿病及其并發(fā)癥中的作用為研究的重點。對于外泌體的研究，一方面可以為糖尿病的早期診斷提供新的生物標(biāo)志物，另一方面，通過對外泌體在代謝應(yīng)激條件下啟動的通路進(jìn)行分子解剖，有助于對糖尿病及其相關(guān)代謝性疾病的病理生理學(xué)進(jìn)行更深入的了解[3]。現(xiàn)就外泌體在糖尿病中的研究進(jìn)展予以綜述。

1 外泌體與糖尿病

細(xì)胞外囊泡是由細(xì)胞釋放的，直徑為30～40 nm到8～9 μm具有膜結(jié)構(gòu)的囊泡的統(tǒng)稱；根據(jù)生物合成或釋放途徑不同，細(xì)胞外囊泡又可分為凋亡小體、微囊泡和外泌體等[4]。其中，凋亡小體由經(jīng)歷程序性細(xì)胞死亡的細(xì)胞釋放；微囊泡產(chǎn)生于質(zhì)膜剝離；外泌體是直徑為30～150 nm的膜囊泡，來源于晚期內(nèi)體途徑，由多泡體與質(zhì)膜融合后釋放到細(xì)胞外空間，通過傳遞微RNA(microRNA，miRNA)、蛋白質(zhì)、長鏈非編碼RNA、環(huán)狀RNA和DNA，介導(dǎo)相鄰或遠(yuǎn)端細(xì)胞之間的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，發(fā)揮抗炎、抗腫瘤作用[5-8]。幾乎所有的細(xì)胞均可分泌外泌體[9]。

外泌體天然存在于血液、唾液、尿液、腦脊液和母乳等體液中，從各種樣品中分離鑒定出外泌體可以為后期的實驗和臨床診治提供幫助。目前，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)5種外泌體分離方法，分別是超高速離心法、基于尺寸分離法、聚合物沉淀法、免疫親和捕獲法和微流體衍生法[10]。外泌體最初是通過超離心的方法分離出來的，雖然這種方法目前仍是外泌體分離的金標(biāo)準(zhǔn)，但其他方法可以彌補(bǔ)與超離心法相關(guān)的不足[11]。連續(xù)使用多種分離方法可進(jìn)一步提高某一特定所需外泌體的含量，但這也導(dǎo)致成本、時間和技術(shù)培訓(xùn)的增加，故臨床應(yīng)用前景有限[12]。透射電子顯微鏡、掃描電子顯微鏡、冷凍電子顯微鏡和原子力顯微鏡可用于觀察外泌體表面的形態(tài)和結(jié)構(gòu)，而蛋白質(zhì)免疫印跡實驗、胰蛋白酶消化、流式細(xì)胞術(shù)、質(zhì)譜分析和酶聯(lián)免疫分析技術(shù)則可以更好地了解外泌體的組成結(jié)構(gòu)[13]。

在高血糖環(huán)境下，外泌體在1型糖尿病(type 1 diabetes mellitus，T1DM)和2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus，T2DM)的病理過程中均發(fā)揮著重要作用，如緩解免疫細(xì)胞對胰腺組織的損傷反應(yīng)以及抑制脂肪細(xì)胞對骨骼肌或肝臟胰島素的抵抗作用等[14]。此外，有報道，含有外泌體的miRNAs和長鏈非編碼RNA在糖尿病的病理過程中參與了器官間的通訊調(diào)控功能，包括影響靶組織的代謝信號和胰島素信號、細(xì)胞活力以及調(diào)節(jié)炎癥性胰腺細(xì)胞等[15]。外泌體在糖尿病的診治過程中發(fā)揮著重要作用，對外泌體的研究可以為糖尿病的早期診斷提供指導(dǎo)，并為臨床治療提供新的思路。

1.1外泌體與T1DM T1DM是T細(xì)胞介導(dǎo)的與胰島β細(xì)胞破壞相關(guān)的慢性自身免疫性疾病，由于患者自身合成的胰島素減少，需要大量的外源性胰島素進(jìn)行治療[16]。研究發(fā)現(xiàn)，胰島β細(xì)胞的破壞與外泌體介導(dǎo)的特定miRNAs轉(zhuǎn)移有關(guān)，即淋巴細(xì)胞釋放的攜帶有miR-142-3p、miR-142-5p和miR-155的外泌體作用于胰島β細(xì)胞，進(jìn)而導(dǎo)致胰島素分泌細(xì)胞選擇性的死亡[6]。此外，有研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)人和大鼠的β細(xì)胞處于炎癥環(huán)境中，β細(xì)胞分泌的外泌體會攜帶被抗體識別的β細(xì)胞蛋白，進(jìn)而激活免疫細(xì)胞對β細(xì)胞的攻擊反應(yīng)[17]。然而，Mahdipour等[18]的研究結(jié)果表明，反復(fù)多次給予經(jīng)血來源的間充質(zhì)干細(xì)胞源性外泌體，可增強(qiáng)糖尿病動物胰腺中胰島β細(xì)胞的數(shù)量并增加胰島素的產(chǎn)生。此外，有研究指出，外泌體可誘導(dǎo)產(chǎn)生胰島β細(xì)胞，從而分泌胰島素，降低糖尿病患者的血糖[19]。由此可見，不同來源的外泌體可對T1DM的病程產(chǎn)生不同的影響，仍需進(jìn)一步研究探討。

1.2外泌體與T2DM T2DM是一種與生活方式、環(huán)境和遺傳有關(guān)的復(fù)雜性疾病，既有胰島β細(xì)胞功能的紊亂，又有胰島素抵抗的發(fā)生。流行病學(xué)顯示，我國T2DM呈年輕化趨勢，且發(fā)病率居世界首位[20]。有研究證實，肥胖和T2DM患者血清外泌體水平升高提示外泌體可能與T2DM的病程有關(guān)[21]。外泌體與T2DM的關(guān)系極其復(fù)雜，一方面，肥胖脂肪組織釋放出的外泌體不僅能通過miR-141-3p顯著抑制肝細(xì)胞對胰島素的敏感性和對葡萄糖的攝取，而且由胰腺癌細(xì)胞衍生的外泌體可通過胰島素和磷脂酰肌醇3-激酶/蛋白激酶B/叉頭框轉(zhuǎn)錄因子O1信號通路介導(dǎo)骨骼肌細(xì)胞對胰島素的抵抗，即 “有害的”外泌體可導(dǎo)致胰島素抵抗[22-23]；另一方面，骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞來源的外泌體中的miR-29b-3p可改善免疫球蛋白相關(guān)的胰島素抵抗，可作為胰島素抵抗治療的靶點[22]；此外，Nair等[24]從正常糖耐量志愿者和妊娠期糖尿病患者的絨毛組織中分離出外泌體，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，來自正常糖耐量志愿者胎盤的外泌體增加了糖尿病患者骨骼肌對胰島素的遷移和葡萄糖的攝取；Sun等[25]研究證明，靜脈輸注人臍帶間充質(zhì)干細(xì)胞來源的外泌體可降低T2DM大鼠的血糖水平，恢復(fù)T2DM的葡萄糖穩(wěn)態(tài)，緩解T2DM中的胰島素分泌功能障礙，即“有利的”外泌體可緩解胰島素抵抗。綜上所述，不同來源的外泌體由于攜帶的信號分子不同，對糖尿病的發(fā)展產(chǎn)生雙向調(diào)節(jié)作用，不僅有有利的一面，也有有害的一面。

2 外泌體與糖尿病并發(fā)癥

糖尿病的微血管和大血管并發(fā)癥可發(fā)生于糖尿病的早期，且是造成糖尿病患者死亡的主要因素[26]。目前糖尿病血管并發(fā)癥的機(jī)制尚未完全闡明，臨床的治療主要是降低血糖和控制血壓，但這些治療方法并不完全有效[27]。因此，有效防治糖尿病并發(fā)癥一直是臨床工作者面臨的一大難題。

2.1外泌體與糖尿病心肌并發(fā)癥 糖尿病心肌病是糖尿病常見的并發(fā)癥，也是糖尿病患者死亡的主要原因，占糖尿病死亡人數(shù)的60%以上[28]，可能與內(nèi)皮功能障礙、心肌細(xì)胞肥大、壞死、凋亡以及間質(zhì)纖維化的增加有關(guān)。Hu等[29]研究顯示，在糖尿病狀態(tài)下，心臟微血管內(nèi)皮細(xì)胞釋放的外泌體攜帶著有害的哺乳動物STE20樣激酶1，哺乳動物STE20樣激酶1不僅能夠抑制高糖培養(yǎng)的心肌細(xì)胞中的葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白-4發(fā)生膜轉(zhuǎn)位，使心肌細(xì)胞葡萄糖攝取減少，參與胰島素抵抗，而且可以放大心肌細(xì)胞損傷，使心肌細(xì)胞接收到疾病信號進(jìn)一步加劇心肌細(xì)胞凋亡，從而損害心臟功能。此外，有研究證實，胚胎干細(xì)胞來源的外泌體含有miRNA，可促進(jìn)心肌細(xì)胞增殖、分化和血管再生，并抑制細(xì)胞凋亡和炎癥，被廣大科研工作者視為一種很有前景的促進(jìn)心肌再生的方法[30]。因此，外泌體在糖尿病心肌病病程中發(fā)揮著一定的作用，有可能為臨床診治提供新的方法。

2.2外泌體與糖尿病腦血管并發(fā)癥 肥胖和T2DM均與腦損傷密切相關(guān)[31]。阿爾茨海默病是導(dǎo)致老年患者癡呆的主要原因，其病因目前尚不清楚，但有研究證實，T2DM和其他糖尿病前期的胰島素抵抗?fàn)顟B(tài)可能導(dǎo)致阿爾茨海默病[32]。Mullins等[33]研究表明，與腦胰島素抵抗相關(guān)的外泌體生物標(biāo)志物與阿爾茨海默病的腦萎縮有關(guān)。此外，有研究指出，骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞衍生的外泌體可治療糖尿病引起的大腦認(rèn)知功能障礙，富足的生存環(huán)境可刺激內(nèi)源性骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞來源的外泌體miR-146a表達(dá)增加，對受損的星形膠質(zhì)細(xì)胞產(chǎn)生抗炎作用，可預(yù)防糖尿病引起的大腦認(rèn)知功能損害[34]。因此，外泌體可能是一種很有前景的、治療糖尿病引起的大腦功能障礙的方法，需要進(jìn)一步研究探討。

2.3外泌體與糖尿病腎病(diabetic nephropathy，DN) 在糖尿病患者中有20%～40%并發(fā)DN[35]。DN已成為終末期腎病的主要病因之一。目前臨床上診斷 DN的方法主要是測量血清肌酐和尿素水平，但這些指標(biāo)對早期診斷DN缺乏特異性。尿細(xì)胞外泌體含有豐富的蛋白質(zhì)和核酸，與腎功能及DN的進(jìn)展均有相關(guān)性，是早期診斷DN的重要生物標(biāo)志物，在DN的早期診斷方面有很好的應(yīng)用前景[36-37]。外泌體不僅參與DN的早期診斷環(huán)節(jié)，而且可以改善DN的相關(guān)癥狀。在大鼠DN模型中，間充質(zhì)干細(xì)胞來源的外泌體不僅可以通過上調(diào)自噬水平，抑制與自噬相關(guān)的哺乳動物雷帕霉素靶蛋白通路，通過間充質(zhì)干細(xì)胞來源的外泌體抗纖維化作用發(fā)揮潛在的腎臟保護(hù)作用，還可通過間充質(zhì)干細(xì)胞來源的外泌體對腎小管上皮細(xì)胞的抗凋亡作用以及保護(hù)細(xì)胞間緊密連接結(jié)構(gòu)的作用，抑制腎臟異常細(xì)胞浸潤和間質(zhì)纖維化以及促炎因子的過表達(dá)，逆轉(zhuǎn)糖尿病對腎小管上皮細(xì)胞的嚴(yán)重?fù)p害[38-39]。因此，間充質(zhì)干細(xì)胞可能為DN的治療提供一條新的途徑。此外，Jin等[14]研究發(fā)現(xiàn)，脂肪干細(xì)胞來源的外泌體通過增強(qiáng)miR-486的表達(dá)，進(jìn)而抑制足細(xì)胞Smad1/哺乳動物雷帕霉素靶蛋白信號通路，顯著改善DN的癥狀。足細(xì)胞即為腎小囊臟層上皮細(xì)胞，足細(xì)胞源性信號轉(zhuǎn)導(dǎo)因子是評價足細(xì)胞損傷程度的良好指標(biāo)，尿外泌體足細(xì)胞源性信號轉(zhuǎn)導(dǎo)因子中，Wilms瘤基因1水平可反映糖尿病患者腎小球的損害情況[40]。這些發(fā)現(xiàn)為外泌體作為DN的一種新的生物診治方法奠定了基礎(chǔ)。

2.4外泌體與糖尿病周圍神經(jīng)病變 糖尿病神經(jīng)病變以周圍神經(jīng)系統(tǒng)和自主神經(jīng)系統(tǒng)受累為特征，是糖尿病最常見的并發(fā)癥[41]。Jia等[42]研究表明，高血糖除了對神經(jīng)軸索造成直接損傷外，還可通過施萬細(xì)胞外泌體呈遞miRNAs，損害遠(yuǎn)端神經(jīng)纖維。此外，有研究證實，外泌體水平與急性糖尿病周圍神經(jīng)病變的炎癥標(biāo)志物升高有關(guān)，故外泌體標(biāo)志物可作為早期診斷糖尿病周圍神經(jīng)病變的潛在輔助手段[43]。綜上，外泌體與糖尿病神經(jīng)病變的發(fā)生、發(fā)展有著密切的關(guān)系，外泌體的研究可能會為糖尿病周圍神經(jīng)病變的診斷提供新的方法。

2.5外泌體與糖尿病創(chuàng)面愈合不良 糖尿病創(chuàng)面愈合不良已成為糖尿病患者截肢的主要原因，導(dǎo)致患者醫(yī)療費用增加、生活質(zhì)量較差。糖尿病創(chuàng)面愈合不良的機(jī)制目前尚不清楚，造成這一并發(fā)癥的原因主要包括缺氧、血管生成受損、活性氧類損傷和神經(jīng)病變等[44]。有研究表明，經(jīng)血來源的間充質(zhì)干細(xì)胞源性外泌體能有效改善糖尿病相關(guān)的皮膚創(chuàng)面愈合不良；滑膜間充質(zhì)干細(xì)胞來源的外泌體可以通過加速上皮再生、刺激血管生成等促進(jìn)創(chuàng)面愈合；富血小板血漿源性外泌體能有效誘導(dǎo)內(nèi)皮細(xì)胞和成纖維細(xì)胞的增殖和遷移，促進(jìn)慢性創(chuàng)面的血管生成和再上皮化[45-47]。由此認(rèn)為，外泌體可用于再生醫(yī)學(xué)，治療難以治愈的糖尿病皮膚疾病(如糖尿病足等)。

3 小 結(jié)

外泌體在疾病的發(fā)生、發(fā)展中發(fā)揮著重要作用。外泌體的潛在應(yīng)用主要包括作為疾病特異性生物標(biāo)志物檢測疾病、激活免疫反應(yīng)以增強(qiáng)免疫力、作為藥物的載體以及用于腫瘤的靶向治療等。另外，有研究證實，注射治療性外泌體可在6周內(nèi)保持持久的生物學(xué)效應(yīng)，提示外泌體可以在細(xì)胞間傳遞持久的信號信息[48]。而外泌體在糖尿病發(fā)生、發(fā)展中的作用機(jī)制十分復(fù)雜，由于不同來源的外泌體攜帶的信號分子不同，調(diào)節(jié)作用既可以是有利的，也可以是有害的?？傊饷隗w的研究和開發(fā)尚處于早期階段，其在體內(nèi)的作用還有待更全面、更深入的臨床研究進(jìn)一步評估。