外泌體在各型糖尿病及其并發(fā)癥中作用的研究進展

呂佳蓉 麥一峰

糖尿病是一種常見的慢性代謝性疾病，據(jù)統(tǒng)計，截至2017年全世界約有4.51億患者，到2045年，患者的人數(shù)可能會上升到6.93億[1]。糖尿病的顯著特點是由于胰島素產(chǎn)生不足或胰島素抵抗導致血糖升高。長期高血糖不但會引起糖尿病視網(wǎng)膜病變、糖尿病腎病以及糖尿病周圍神經(jīng)病變等各種并發(fā)癥的發(fā)生，而且也是冠狀動脈粥樣硬化的獨立危險因素。有研究報道糖尿病還會增加多種惡性腫瘤的發(fā)病風險[2]。因此，糖尿病的流行已成為全球人類健康的一大危機。近幾年，關于外泌體的研究越來越廣泛，涉及外泌體的論文數(shù)量呈指數(shù)級增長。外泌體是一類由各種細胞分泌的納米級的細胞外囊泡，它通過攜帶脂質(zhì)、核酸等特異性物質(zhì)進行細胞與細胞間的信號傳導，參與了多種疾病的發(fā)生、發(fā)展，有可能成為一種新的生物標志物。Diamant等[3]發(fā)現(xiàn)在2型糖尿?。═2DM）患者血漿中微小囊泡較正常人有所增加，揭示了外泌體可能參與了糖尿病的發(fā)生。筆者通過收集近年來關于外泌體和糖尿病的相關文獻，就外泌體在各型糖尿病及其并發(fā)癥發(fā)生、發(fā)展中的作用作一綜述，旨在為糖尿病的早期診斷和治療提供新的方向。

1 外泌體概述

細胞膜上生物物質(zhì)的轉(zhuǎn)運是細胞維持自身內(nèi)環(huán)境平衡的重要步驟，細胞通過胞外膜小泡（EVs）釋放分子，進行細胞間信號傳導、細胞分化、炎癥和免疫反應等多種生理功能。EVs不僅存在于人體中，在細菌、植物中也曾發(fā)現(xiàn)它們的存在[4]。這些小泡在過去被命名為內(nèi)泌體、脫落小泡、微粒等，然而外泌體這一術語是由Trams等[5]在研究正常和腫瘤細胞系脫落囊泡時首次提出的。外泌體的直徑范圍約30～150 nm[6]。外泌體的發(fā)生始于質(zhì)膜的向內(nèi)出芽，隨之形成含有膜蛋白的早期內(nèi)吞體，隨著內(nèi)吞體的內(nèi)陷和特定蛋白質(zhì)、RNA的封閉，進一步產(chǎn)生多泡體，隨后這些多泡體與質(zhì)膜融合形成外泌體并釋放到細胞外[7]。外泌體通過攜帶各種生物分子，介導自身及遠處細胞間的信息交流，最終完成生理和病理過程。此外，由于有脂質(zhì)雙層結(jié)構的保護，外泌體能穩(wěn)定存在于各種生物液體（例如血液、尿液、唾液和細胞培養(yǎng)基）中而不被降解[7]。

2 外泌體參與各型糖尿病的發(fā)生、發(fā)展

2.1 外泌體與1型糖尿?。═1DM） T1DM是一種自身免疫性疾病，其特征是存在循環(huán)的自身抗體、胰島的淋巴細胞浸潤以及β細胞的特異性破壞，最終導致胰島素缺乏。目前，已有多項研究結(jié)果表明外泌體在T1DM的發(fā)生過程中起關鍵作用，作用機制見圖1。有學者發(fā)現(xiàn)大鼠和人類的胰島能釋放出富含β細胞自身抗原（如谷氨酸脫羧酶65抗體、胰島抗原2抗體和胰島素原）的外泌體，這些被釋放出來的外泌體可以被樹突狀細胞攝取并使其激活，產(chǎn)生細胞因子，而高水平的細胞因子可誘導β細胞的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)發(fā)生應激，導致外泌體進一步分泌增加，從而產(chǎn)生惡性循環(huán)[8]。Tang等[9]和Zhu等[10]發(fā)現(xiàn)高濃度的細胞因子可促進大鼠β細胞瘤細胞的凋亡，而低濃度的細胞因子可刺激大鼠β細胞瘤細胞釋放富含中性神經(jīng)酰胺酶的外泌體，其可保護β細胞免受高劑量細胞因子或高濃度游離脂肪酸誘導的細胞凋亡。此外，有學者發(fā)現(xiàn)胰島素瘤細胞釋放的外泌體可刺激非肥胖糖尿?。∟OD）小鼠的自身免疫反應，同時他們發(fā)現(xiàn)NOD小鼠胰島中的間充質(zhì)干細胞可釋放免疫刺激性外泌體，從而激活NOD小鼠自身反應性B細胞和T細胞。同時，他們還發(fā)現(xiàn)血清中外泌體的水平和外泌體誘導產(chǎn)生的干擾素-γ與早期糖尿病進展呈正相關[11]。T細胞產(chǎn)生的富含 miRNA-142-3p、miR142-5p和miR-155的外泌體活化后可促進β細胞凋亡，但是通過滅活這些外泌體可緩解NOD小鼠糖尿病的發(fā)展。此外，有學者發(fā)現(xiàn)T淋巴細胞分泌的外泌體不僅在β細胞中觸發(fā)細胞凋亡，同時還可以促進趨化因子（趨化因子-2、趨化因子-7和趨化因子-10）信號傳導基因的表達[12]。

圖1 外泌體在1型糖尿病中的作用過程

2.2 外泌體與T2DM T2DM與肥胖密切相關，以胰島素抵抗為主要特征。脂肪組織被認為是一種動態(tài)的內(nèi)分泌器官，它可以通過釋放多種調(diào)節(jié)糖和脂代謝的激素來調(diào)節(jié)全身能量代謝平衡。此外，脂肪組織也是循環(huán)外泌體miRNA的重要來源，它可以調(diào)節(jié)遠處組織中基因的表達。研究發(fā)現(xiàn)脂肪組織特異性敲除miRNA加工酶Dicer（ADicerKO）的小鼠模型中，循環(huán)外泌體miRNA以及組織中的成熟miRNA的表達水平顯著下降[13]；同時，有研究發(fā)現(xiàn)這些模型小鼠表現(xiàn)出嚴重的胰島素抵抗[14]。然而，白色和棕色脂肪組織的移植可恢復許多循環(huán)外泌體miRNA的表達水平（尤其是在ADicer KO小鼠中）從而改善糖耐量。這可能與肝臟成纖維細胞因子-21和循環(huán)成纖維細胞因子-21水平的降低有關[13]。Mori等[15]發(fā)現(xiàn)隨著年齡的增長，脂肪組織的Dicer表達水平隨之降低，ADicer KO使小鼠對氧化應激反應過敏。因此，調(diào)控脂肪組織中外泌體miRNA的表達在機體對環(huán)境變化的反應能力上起著重要作用，可能直接導致老年人糖尿病等代謝性疾病的發(fā)病率增加。近年來，有學者發(fā)現(xiàn)脂肪細胞產(chǎn)生的外泌體可將單核細胞誘導分化成巨噬細胞，然后巨噬細胞干擾人脂肪細胞中的胰島素信號傳導，最終導致胰島素抵抗[16]。同時，Song等[17]發(fā)現(xiàn)脂肪組織衍生的攜帶有音猬因子的外泌體可以誘導巨噬細胞向M1極化。降低脂肪細胞中的胰島素抵抗底物-1和激素敏感性脂肪酶的表達可以促成脂肪細胞的胰島素抵抗。此外，Ying等[18]發(fā)現(xiàn)給正常小鼠注射肥胖小鼠的脂肪組織巨噬細胞（ATMs）分泌的外泌體后，正常小鼠會發(fā)生胰島素抵抗；而給肥胖小鼠注射正常小鼠ATMs分泌的外泌體后，肥胖小鼠的胰島素抵抗能得到改善，提示ATMs分泌的外泌體參與了靶細胞的血糖不耐受和胰島素抵抗過程。

2.3 外泌體與妊娠期糖尿病（GDM） GDM是妊娠期間最常見的代謝物紊亂，其病因復雜，涉及遺傳、環(huán)境等多種因素。與T2DM一樣，隨著肥胖癥的流行，GDM的發(fā)病率日益增加。雖然大多數(shù)GDM在分娩后大多能恢復正常，但懷孕期間的代謝異常仍然會給母體帶來嚴重的健康風險。研究表明患有GDM的母體在分娩過后患T2DM的風險較正常人增加[19]。此外，研究還發(fā)現(xiàn)將發(fā)育中的胚胎暴露于受干擾的代謝環(huán)境可能會改變生殖細胞的表觀遺傳譜，從而影響下一代，提示GDM可能會使后代患肥胖及糖尿病的風險增加[20]。Liu等[21]發(fā)現(xiàn)GDM孕婦血漿中的外泌體水平顯著高于對照組，這些外泌體可促進內(nèi)皮細胞釋放炎性細胞因子，但是外泌體在GDM發(fā)展中的具體作用機制尚不明確。除此之外，GDM與胎兒胎盤內(nèi)皮細胞功能障礙有關。Saez等[22]發(fā)現(xiàn)在高濃度高葡萄糖環(huán)境中的人臍靜脈內(nèi)皮細胞會產(chǎn)生更多的外泌體，這些外泌體可以增加一氧化氮合酶、人陽離子氨基酸轉(zhuǎn)運蛋白、血管內(nèi)皮生長因子、細胞內(nèi)黏附分子的表達，導致內(nèi)皮細胞功能障礙，但目前具體機制尚未完全闡明。Nair等[23]在研究正常葡萄糖耐量妊娠女性和GDM女性時發(fā)現(xiàn)，從GDM妊娠女性絨毛膜絨毛外植體中分離的外泌體能降低骨骼肌細胞的胰島素敏感性以及其攝取葡萄糖的能力。

3 外泌體與糖尿病并發(fā)癥

3.1 外泌體與糖尿病腎?。―N） DN是一種嚴重的糖尿病微血管并發(fā)癥，是全球終末期腎病的主要原因。DN的臨床特征是蛋白尿，其最終的病理表現(xiàn)是腎纖維化。腎小球內(nèi)皮細胞（GEC）、腎小球系膜細胞（GMC）以及足細胞之間異常的相互作用被認為在DN的發(fā)病機制中起關鍵作用[24-26]。Wu等[24]發(fā)現(xiàn)在高糖環(huán)境中，GEC會發(fā)生內(nèi)皮-間充質(zhì)轉(zhuǎn)化（EMT），而EMT的腎小球內(nèi)皮細胞會分泌富含轉(zhuǎn)化生長因子-β1（TGF-β1）mRNA 的外泌體，這些外泌體可以被足細胞攝取導致足細胞EMT及屏障功能受損，足細胞的EMT過程可能涉及經(jīng)典的Wnt/β-連環(huán)蛋白信號傳導途徑。同時，這些外泌體還可以作用于GMC，通過TGF-β1/Smad3信號通路促進GMC中的α-平滑肌肌動蛋白表達，系膜細胞增殖以及胞外基質(zhì)蛋白過量產(chǎn)生，最終導致腎纖維化[25]?？偠灾珿EC、GMC、足細胞之間通過外泌體進行旁分泌相互作用可促進DN的發(fā)生、發(fā)展。

3.2 外泌體與糖尿病性大血管病變 糖尿病性大血管病變是指主動脈、冠狀動脈、腎動脈等大血管發(fā)生動脈粥樣硬化，其是糖尿病患者的主要死因。與正常人群相比，糖尿病患者動脈粥樣硬化的發(fā)病率更高、發(fā)病年齡更輕、病情更重、病死率更高。內(nèi)皮細胞功能障礙在糖尿病血管病變的發(fā)展中起著至關重要的作用，但其機制尚不完全清楚。有研究報道顯示從糖尿病患者或肥胖型糖尿病小鼠的血漿中分離的富含精氨酸酶-1的外泌體，可以從體外和體內(nèi)兩種途徑轉(zhuǎn)移至內(nèi)皮細胞，通過減少內(nèi)皮細胞NO的產(chǎn)生，從而導致血管功能障礙[27]。同時，也有學者發(fā)現(xiàn)富含miRNA-155的外泌體可以從平滑肌細胞向內(nèi)皮細胞轉(zhuǎn)移，破壞細胞間的緊密連接和內(nèi)皮細胞屏障的完整性，最終導致內(nèi)皮細胞通透性增加，從而促進動脈粥樣硬化的進展[28]。這些都提示了外泌體可能參與內(nèi)皮細胞的損傷過程，促進了糖尿病性大血管病變的發(fā)生與發(fā)展。

3.3 外泌體與糖尿病性視網(wǎng)膜病變（DR） DR是糖尿病主要的常見并發(fā)癥，它也是全球中青年人群視力下降和失明的主要原因。對DR的發(fā)病機制的研究雖已有很多，但其最根本的發(fā)病機制尚不明確。目前大家普遍認為DR的發(fā)生與視網(wǎng)膜細胞變性（包括視網(wǎng)膜細胞凋亡、膠質(zhì)細胞功能障礙）和視網(wǎng)膜微血管功能障礙（視網(wǎng)膜無血流灌注、血管通透性改變和視網(wǎng)膜新生血管形成）有關[29]。Kamalden等[30]發(fā)現(xiàn)在高濃度葡萄糖培養(yǎng)基中培養(yǎng)的大鼠胰腺β細胞會分泌富含miRNA-15a的外泌體，這些外泌體進入血液后能靶向作用于絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶-3，從而引起視網(wǎng)膜細胞氧化應激，最終導致細胞凋亡；在糖尿病患者的血漿中，富含miRNA-15a的外泌體水平呈顯著增加，且與疾病的嚴重程度成正比。Huang等[31]發(fā)現(xiàn)糖尿病患者血漿中含有免疫球蛋白-G的外泌體是負責激活經(jīng)典補體途徑的重要部分，從而使促炎因子和趨化因子上調(diào)，最終導致視網(wǎng)膜血管損傷。而Hajrasouliha等[32]發(fā)現(xiàn)視網(wǎng)膜星形膠質(zhì)細胞分泌的外泌體具有抑制巨噬細胞的遷移和小鼠視網(wǎng)膜脈絡膜新生血管的形成。這提示抑制外泌體誘導的補體途徑以及促進視網(wǎng)膜星形膠質(zhì)細胞分泌抗血管生成的外泌體可能可以阻止DR的發(fā)展進程，為治療DR提供了新的途徑。

4 展望

糖尿病及其相關并發(fā)癥的治療對世界上所有國家來說都是一個巨大的經(jīng)濟負擔。目前，最為普遍的糖尿病確診手段是測量血糖水平。但在其出現(xiàn)血糖升高之前，已有潛在的血管損傷及胰島素敏感性下降存在。近年來，隨著對外泌體研究的不斷深入，已有學者提出了將外泌體作為糖尿病早期診斷的一種新的生物標志物。不僅如此，因外泌體可在細胞間傳遞生物活性分子從而影響靶細胞的胰島素敏感性，將外泌體作為治療劑和載體來增強β細胞增殖和修復也為糖尿病的治療提供了新的方向。雖然現(xiàn)在外泌體在糖尿病發(fā)生、發(fā)展中的機制還未完全清楚，但是隨著對外泌體和糖代謝功能障礙機制的深入研究，其定能在糖尿病的臨床應用中發(fā)揮重要作用。