干細(xì)胞源的外泌體調(diào)控細(xì)胞自噬在心肌損傷中作用的研究進(jìn)展

心臟干細(xì)胞(cardiac stem cells，CSCs)被認(rèn)為是修復(fù)損傷心肌的最佳途徑之一。CSCs 是未分化細(xì)胞，表達(dá)早期心肌細(xì)胞系的轉(zhuǎn)錄因子(Nkx2.5，GATA-4，Mef-2)。CSCs的特征是以克隆的方式進(jìn)行自我更新，并且具有在體外和體內(nèi)分化為多種心血管譜系細(xì)胞的能力，包括心肌細(xì)胞、平滑肌細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞等。在心臟發(fā)生病變時，CSCs增殖分化能對心臟的損傷進(jìn)行修復(fù)。以CSCs為基礎(chǔ)的治療方法為心臟損傷后的修復(fù)提供了新的途徑。但由于干細(xì)胞直接移植的生存率非常低，越來越多的研究發(fā)現(xiàn)干細(xì)胞對于心肌損傷的保護(hù)作用可能更多來自旁分泌機(jī)制[1]。本課題組在前期研究中發(fā)現(xiàn)誘導(dǎo)多能干細(xì)胞源的外泌體(exosomes)可以傳遞對心肌細(xì)胞具有保護(hù)作用的miRNA-21/210，從而在心肌缺血再灌注后通過抗心肌細(xì)胞凋亡來保護(hù)受損傷的心肌[2]。 現(xiàn)就干細(xì)胞源的Exosomes和自噬在心肌損傷修復(fù)中的作用做一綜述。

1 Exosomes與心肌損傷

1.1 Exosomes的特征與功能 Exosomes是一種可由多種細(xì)胞分泌的納米級膜性囊泡，在電鏡下其外觀是一種特征性的“蝶形”小體，直徑為30～100 nm。研究表明，Exosomes內(nèi)含有細(xì)胞特異性的信號分子、蛋白質(zhì)、mRNA和miRNA。體外實(shí)驗(yàn)表明，這些遺傳物質(zhì)可以在靶細(xì)胞中翻譯與表達(dá)，在細(xì)胞間進(jìn)行信息傳遞。Exosomes介導(dǎo)的信息傳遞方式[1]：①Exosomes膜配體可以激活受體或下游的信號通路；②Exosomes內(nèi)含有活化的受體，可以在細(xì)胞之間轉(zhuǎn)運(yùn)；③Exosomes內(nèi)含有蛋白質(zhì)，可以進(jìn)行蛋白質(zhì)的傳遞；④Exosomes內(nèi)含有miRNA和RNA，可以進(jìn)行遺傳物質(zhì)的傳遞。

Exosomes具有小的雙層脂質(zhì)膜，其可被大多數(shù)細(xì)胞釋放并可在大多數(shù)體液中檢測到。Exosomes通過將其包含的生物活性物質(zhì)(如蛋白質(zhì)和核酸)轉(zhuǎn)移到受體細(xì)胞或激活靶細(xì)胞中的信號傳導(dǎo)途徑來發(fā)揮細(xì)胞間通訊的關(guān)鍵功能[3-4]。前期實(shí)驗(yàn)證實(shí)，通過PKH26 標(biāo)記 Exosomes 后加入正在培養(yǎng)的細(xì)胞培養(yǎng)基里，2 h后熒光顯微鏡下可以觀察到PKH26標(biāo)記的Exosomes 進(jìn)入細(xì)胞漿內(nèi)，因此，證明Exosomes可以在細(xì)胞之間穿梭從而發(fā)揮信息傳遞作用[2]。另外，Exosomes還可以用作在體及離體實(shí)驗(yàn)中的藥物載體而用于治療[5]。

1.2 Exosomes與旁分泌 相關(guān)研究表明，注射入體內(nèi)的干細(xì)胞本身并不是通過分化增殖產(chǎn)生新的心肌細(xì)胞而導(dǎo)致心臟功能改善，其中的機(jī)制顯然是一種旁分泌作用，即這些細(xì)胞釋放某種讓心臟變得更好的“物質(zhì)”[6]。Sahoo等[7-8]發(fā)現(xiàn)CD34+的干細(xì)胞中提取的Exosomes富含促血管生成的miR-126，可以促進(jìn)心肌梗死后新生血管的形成。Exosomes具有潛在的心肌保護(hù)作用，這種保護(hù)作用可能與其攜帶的信息分子、蛋白質(zhì)、miRNA、RNA相關(guān)[9-10]。Gallo 等[11]研究發(fā)現(xiàn)，血清和唾液中可被檢測到的miRNA多數(shù)集中在Exosomes。Ji等[12]在實(shí)驗(yàn)中證實(shí)血漿miR-208可以作為心肌損傷標(biāo)志物，異丙腎上腺素誘導(dǎo)的心肌損傷后，miR-208的血漿濃度顯著增加。Exosomes攜帶的miRNA可能會成為心血管疾病新的生物標(biāo)志物及治療靶標(biāo)[13-16]。

1.3 miRNA與心肌損傷 miRNA是一類在基因轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)控目的基因的功能性小RNA。Eulalio等[17]發(fā)現(xiàn)外源性miRNAs能顯著刺激心肌細(xì)胞增殖，促進(jìn)心臟修復(fù)，通過高通量技術(shù)篩選出了40多種能顯著促進(jìn)新生小鼠和大鼠心肌細(xì)胞DNA合成和胞質(zhì)分裂的miRNA，進(jìn)一步研究證實(shí)miR-590和miR-199a可以促進(jìn)成體心肌細(xì)胞周期重啟，促進(jìn)新生動物和成年動物的心肌細(xì)胞增殖。Wang等[18]研究發(fā)現(xiàn)，miRNA-103/107可以通過靶向Fas相關(guān)死亡結(jié)構(gòu)域蛋白(Fas-associating death domain protein，F(xiàn)ADD)調(diào)節(jié)程序性壞死和心肌缺血/再灌注損傷。Xie等[19]通過減少高遷移率族蛋白B1(HMGB1)表達(dá)來研究miR-451是否保護(hù)心肌細(xì)胞缺氧/復(fù)氧(A / R)損傷，發(fā)現(xiàn)在A/R期間心肌細(xì)胞中miR-451的表達(dá)顯著降低，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)miR-451的上調(diào)可以顯著減弱A/R期間心肌細(xì)胞活力的損失和增加細(xì)胞內(nèi)超氧化物歧化酶(SOD)水平，表明miR-451的上調(diào)可以通過抑制HMGB1的表達(dá)來防止A/R誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞損傷。但促進(jìn)心肌修復(fù)的miRNA的篩選及干預(yù)時機(jī)尚待進(jìn)一步研究。

2 自噬與心肌損傷

2.1 自噬的特征與分類 自噬是一種在真核生物中高度保守的細(xì)胞降解和再循環(huán)過程。在哺乳動物細(xì)胞中，自噬有3種主要類型：大自噬(macroautophagy)、小自噬(microautophagy)和分子伴侶介導(dǎo)的自噬(chaperome-mediated autophagy，CMA)。雖然每個在形態(tài)上并不相同，但這3種自噬方式最終都在向溶酶體輸送貨物以進(jìn)行降解和再循環(huán)。大自噬依靠新形成的雙層膜囊泡——自噬體，可以隔離待降解物質(zhì)并將其運(yùn)送到溶酶體內(nèi)，小自噬通過溶酶體膜的內(nèi)陷直接捕獲待降解物質(zhì)，伴侶介導(dǎo)與小自噬不同，它不使用膜結(jié)構(gòu)來隔離待降解物質(zhì)，而是利用分子伴侶識別待降解物質(zhì)上含有特定肽鏈的蛋白，直接將未折疊蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)到溶酶體膜上。自噬是細(xì)胞的一種自我保護(hù)機(jī)制，但過度自噬往往是有害的。通過對細(xì)胞自噬的調(diào)控來治療疾病已經(jīng)成為一個極具潛力的研究方向。

2.2 自噬與干細(xì)胞 研究發(fā)現(xiàn)，血液的產(chǎn)生是由稀有的、自我更新的造血干細(xì)胞(HSC)來保證的，而自噬是保護(hù)造血干細(xì)胞免受代謝應(yīng)激的重要機(jī)制[20]。研究發(fā)現(xiàn)，在新鮮分離的年輕小鼠造血干細(xì)胞和分化的HSC子細(xì)胞(其中包括免疫細(xì)胞粒細(xì)胞和巨噬細(xì)胞的祖細(xì)胞)中，自噬很少發(fā)生或不發(fā)生，而當(dāng)細(xì)胞處于饑餓狀態(tài)時，自噬會被加速誘導(dǎo)，而在這樣的壓力狀態(tài)下，主動抑制自噬，造血干細(xì)胞會快速凋亡[21]。研究證實(shí)自噬可以有效抑制造血干細(xì)胞的新陳代謝，最終保存了造血干細(xì)胞的自我更新能力[22]。缺血性心臟病的治療中，科學(xué)家越來越多寄希望于心臟干細(xì)胞移植，這其中細(xì)胞自噬對維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)發(fā)揮著非常重要的作用，研究發(fā)現(xiàn)在干細(xì)胞治療中Exosomes、miRNAs和細(xì)胞自噬可能協(xié)同發(fā)揮作用[23]。有研究證實(shí)，心臟干細(xì)胞來源的Exosomes高表達(dá)miRNA-451[24]，可以作為一種非細(xì)胞的載體保護(hù)缺血再灌注損傷。有報道m(xù)iR-451直接靶標(biāo)結(jié)節(jié)性硬化癥蛋白1(TSC1)是細(xì)胞自噬的正向調(diào)控因子，可以對缺血心肌細(xì)胞起到保護(hù)作用[25]。

在心臟發(fā)育的各個階段細(xì)胞自噬都發(fā)揮著重要作用，在斑馬魚心臟胚胎發(fā)育中，敲除自噬基因Beclin1、 Atg5和 Atg7會引起細(xì)胞死亡和復(fù)雜的心臟結(jié)構(gòu)異常[22，26]。Decker等[27]研究發(fā)現(xiàn)，缺血再灌注損傷可誘導(dǎo)心肌細(xì)胞發(fā)生自噬，在對兔的心肌細(xì)胞進(jìn)行20～40 min的缺氧處理后，自噬泡開始出現(xiàn)，而當(dāng)氧供恢復(fù)后，自噬泡數(shù)量明顯增加，且在急性或慢性缺血條件下自噬均可被啟動，在再灌注階段自噬又會進(jìn)一步增強(qiáng)。在急性心肌梗死的修復(fù)損傷心肌的治療中干細(xì)胞一直以來都是臨床尋求的一個非常有效的方法和途徑，干細(xì)胞移植中有很多機(jī)制在發(fā)揮作用，這其中調(diào)控細(xì)胞自噬是干細(xì)胞發(fā)揮修復(fù)損傷心肌的重要作用之一[28-30]，詳見圖1。也有研究證實(shí)，一些天然產(chǎn)物比如白藜蘆醇、黃連素、姜黃素可以調(diào)控細(xì)胞自噬來參與心血管疾病的損傷修復(fù)[31]。

圖1心肌梗死和心力衰竭發(fā)生過程中自噬促進(jìn)心肌再生的示意圖

3 問題與思考

心臟干細(xì)胞盡管在臨床治療心肌梗死后心肌損傷修復(fù)中可能會有非常好的應(yīng)用前景，但移植細(xì)胞的高死亡率、移植的途徑及移植細(xì)胞帶來的風(fēng)險仍是限制干細(xì)胞在臨床應(yīng)用的主要問題。細(xì)胞自噬具有維持細(xì)胞自穩(wěn)的功能，Exosomes特異的miRNA是否通過調(diào)控心肌細(xì)胞自噬從而參與心肌細(xì)胞損傷的修復(fù)受到越來越多的關(guān)注。