外泌體miRNA在心血管重構(gòu)中的研究進(jìn)展

邱家媛，徐建軍，晏 浩

(南昌大學(xué)a.基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院病理生理教研室； b.第二附屬醫(yī)院心胸外科, 南昌 330006)

心血管疾病是威脅人類健康的重大疾病之一，隨著心血管疾病病程的進(jìn)展必將出現(xiàn)不可逆性的心血管重構(gòu)，并以循環(huán)衰竭而終結(jié)。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為早期的心血管重構(gòu)是機(jī)體應(yīng)對(duì)壓力增高的主動(dòng)代償性改變，而近年來(lái)的研究已發(fā)現(xiàn)早期心血管重構(gòu)與心血管疾病的發(fā)病率和死亡率密切相關(guān)[1]。外泌體作為一種細(xì)胞間信息交流的穩(wěn)定載體，其內(nèi)容物miRNA可靶向調(diào)控細(xì)胞信號(hào)通路，進(jìn)而參與如血管重塑、心肌缺血、心肌肥厚以及免疫炎癥反應(yīng)等多個(gè)病理生理過(guò)程[2]。本文對(duì)外泌體的來(lái)源和功能以及其中的miRNA在病理性心血管重構(gòu)形成過(guò)程中的作用作一綜述，以探究外泌體在疾病發(fā)生發(fā)展中的具體機(jī)制，并為其在臨床治療中的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 外泌體

1.1 外泌體的來(lái)源

20世紀(jì)80年代，PAN等[3]首次報(bào)道在體外培養(yǎng)的羊紅細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)了一種囊泡結(jié)構(gòu)，隨后通過(guò)電子顯微鏡再次證實(shí)了這種囊泡結(jié)構(gòu)的存在。最初研究者們認(rèn)為外泌體是網(wǎng)織紅細(xì)胞轉(zhuǎn)向成熟過(guò)程中形成的一個(gè)載體，用來(lái)清除轉(zhuǎn)鐵蛋白受體。隨后越來(lái)越多的研究發(fā)現(xiàn)外泌體在各種病理生理過(guò)程中起到重要作用，尤其是細(xì)胞間通訊。外泌體與凋亡小體及微泡不同，它來(lái)源于細(xì)胞的內(nèi)體途徑，以向內(nèi)出芽的方式形成。在外泌體生物合成的不同階段需要經(jīng)過(guò)多種機(jī)制的共同介導(dǎo)，其中多泡體的形成通常是由轉(zhuǎn)運(yùn)必需內(nèi)體分選復(fù)合物(the endosomal sorting complex required for tansport，ESCRT)介導(dǎo)[4]，且形成的多泡體一部分與質(zhì)膜融合，以腔內(nèi)囊泡的形式釋放到細(xì)胞外，即為外泌體，而另一部分則與溶酶體融合，最終被溶酶體完全降解，即為自噬。此外，研究發(fā)現(xiàn)敲除ESCRT后細(xì)胞依然可以分泌外泌體，因此也存在ESCRT非依賴的外泌體形成機(jī)制[5]。

1.2 外泌體的主要組分和功能

外泌體的內(nèi)容物主要是蛋白質(zhì)、mRNA、miRNA、lncRNA、DNA以及脂質(zhì)等生物活性物質(zhì)[6]。外泌體的主要生物學(xué)功能是介導(dǎo)細(xì)胞間的信息交流、參與機(jī)體免疫應(yīng)答、信號(hào)傳導(dǎo)、廢物清除等多個(gè)病理生理過(guò)程[7]。近年來(lái)，越來(lái)越多的研究結(jié)果顯示外泌體通過(guò)自分泌、旁分泌或遠(yuǎn)分泌的方式遞送蛋白質(zhì)、miRNA等內(nèi)容物作用于受體細(xì)胞，介導(dǎo)細(xì)胞間的信息交流，進(jìn)而影響受體細(xì)胞的生物學(xué)功能。外泌體與受體細(xì)胞結(jié)合的方式包括：1)釋放有效成分于受體細(xì)胞附近；2)與靶細(xì)胞表面特異性受體結(jié)合；3)與質(zhì)膜融合；4)受體細(xì)胞的內(nèi)吞作用[8]。細(xì)胞在不同的狀態(tài)下會(huì)啟動(dòng)一種或多種方式將外泌體與受體細(xì)胞結(jié)合。此外，在疾病的診斷中外泌體的內(nèi)容物也發(fā)揮重要作用且具有一定的優(yōu)勢(shì)，這是由于脂質(zhì)雙層膜保護(hù)它們不被核酸酶降解[9]。

最新的研究還發(fā)現(xiàn)細(xì)胞能夠通過(guò)外泌體代償性的外排機(jī)制來(lái)清除有害物質(zhì)。例如，在帕金森疾病的研究中，當(dāng)自噬體形成受阻時(shí)，含有α-突觸核蛋白的外泌體分泌增加，以此減少神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)的α-突觸核蛋白的蛋白毒性，從而抑制神經(jīng)細(xì)胞死亡[10]。

2 外泌體與心血管重構(gòu)

2.1 外泌體介導(dǎo)的血管重塑

血管重塑是指血管在應(yīng)對(duì)管腔內(nèi)壓力、流量的變化及血管壁損傷時(shí)發(fā)生的適應(yīng)性結(jié)構(gòu)改變，是心血管重構(gòu)的重要環(huán)節(jié)。

2.1.1 血流動(dòng)力學(xué)

血流量及血流速率的變化可引起血流剪切力的改變，為了保持剪切力的恒定，血管壁張力增加進(jìn)而導(dǎo)致血管重塑。OTANI等[11]發(fā)現(xiàn)，高血壓大鼠血漿外泌體可顯著提高正常大鼠的收縮壓。相反，正常大鼠血漿外泌體可顯著降低高血壓大鼠的收縮壓。高血壓大鼠血漿外泌體可誘導(dǎo)胸主動(dòng)脈的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，如血管壁增厚及膠原含量降低，顯著增加左心室的濕重和血管周圍的纖維化程度，進(jìn)而導(dǎo)致血壓的改變，而正常大鼠血漿外泌體可逆轉(zhuǎn)這些病理性的結(jié)構(gòu)改變。這一研究首次證明血漿外泌體可以調(diào)節(jié)血壓及心血管組織的結(jié)構(gòu)和功能。

2.1.2 內(nèi)皮細(xì)胞的通透性

當(dāng)血管壁發(fā)生損傷時(shí)，內(nèi)皮細(xì)胞的通透性增加、功能發(fā)生障礙，進(jìn)而促進(jìn)心室重構(gòu)和動(dòng)脈粥樣硬化的發(fā)生發(fā)展。ZHENG等[12]發(fā)現(xiàn)，Krüppel樣因子5可誘導(dǎo)人主動(dòng)脈平滑肌細(xì)胞來(lái)源的外泌體中miRNA-155的表達(dá)顯著上調(diào)，含有miRNA-155的外泌體可被內(nèi)皮細(xì)胞攝取，從而增強(qiáng)內(nèi)皮細(xì)胞的通透性，促進(jìn)動(dòng)脈粥樣硬化的進(jìn)程。而血管平滑肌細(xì)胞分泌的外泌體通過(guò)遞送miRNA-150介導(dǎo)VEGF-A/VEGFR/PI3K/Akt通路的激活，進(jìn)而促進(jìn)內(nèi)皮細(xì)胞的遷移[13]。這些研究表明，外泌體是血管平滑肌細(xì)胞干預(yù)內(nèi)皮細(xì)胞功能的重要介質(zhì)。

2.1.3 內(nèi)皮細(xì)胞的炎癥

炎性細(xì)胞分泌的外泌體可通過(guò)調(diào)控相關(guān)的促炎因子來(lái)介導(dǎo)內(nèi)皮細(xì)胞炎癥反應(yīng)。OSADA等[14]認(rèn)為，高血壓大鼠心臟中巨噬細(xì)胞標(biāo)志物CD68表達(dá)上調(diào)，即巨噬細(xì)胞浸潤(rùn)增強(qiáng)。進(jìn)一步研究顯示巨噬細(xì)胞分泌的外泌體作用于內(nèi)皮細(xì)胞，可上調(diào)細(xì)胞內(nèi)黏附分子-1和纖溶酶原激活物抑制劑-1等促炎因子的表達(dá)。ISMAIL等[15]研究發(fā)現(xiàn)，巨噬細(xì)胞分泌的外泌體中miRNA-223可促進(jìn)內(nèi)皮細(xì)胞的炎癥反應(yīng)，進(jìn)而誘導(dǎo)內(nèi)皮細(xì)胞功能障礙。此外，單核細(xì)胞分泌外泌體中的miRNA-155通過(guò)激活NF-κB信號(hào)通路，進(jìn)而調(diào)節(jié)內(nèi)皮細(xì)胞中促炎因子(細(xì)胞內(nèi)黏附分子-1、趨化因子CCL2)的表達(dá)，從而使內(nèi)皮細(xì)胞功能障礙[16]。GAO等[17]研究顯示，樹(shù)突狀細(xì)胞分泌的外泌體經(jīng)由促炎因子腫瘤壞死因子α(Tumor necrosis factor α，TNF-α)激活NF-κB信號(hào)通路，進(jìn)而促進(jìn)內(nèi)皮細(xì)胞的炎癥反應(yīng)。這些研究結(jié)果表明炎性細(xì)胞分泌的外泌體通過(guò)調(diào)控細(xì)胞因子參與內(nèi)皮細(xì)胞炎癥的發(fā)生機(jī)制。

2.1.4 血管平滑肌細(xì)胞表型轉(zhuǎn)化

平滑肌細(xì)胞的表型轉(zhuǎn)化是血管重塑的重要環(huán)節(jié)之一，且內(nèi)皮細(xì)胞的旁分泌效應(yīng)在表型轉(zhuǎn)化中發(fā)揮重要作用。LIN等[18]研究發(fā)現(xiàn)，內(nèi)皮細(xì)胞分泌外泌體中的miRNA-206可靶向作用于ADP-核糖基化因子6和鈉/鈣交換劑1，進(jìn)而維持平滑肌細(xì)胞的收縮表型，抑制血管重塑進(jìn)程。

2.2 外泌體介導(dǎo)心肌缺血與凋亡

心血管重構(gòu)往往導(dǎo)致缺血性疾病的發(fā)生，且目前心肌缺血的常規(guī)治療無(wú)法從根源上解決心肌細(xì)胞的既有損傷問(wèn)題，而干細(xì)胞療法意在通過(guò)分化取代受損的心肌細(xì)胞，因此受到廣泛關(guān)注。但早期的研究發(fā)現(xiàn)與對(duì)照組相比，移植間充質(zhì)干細(xì)胞(mesenchymal stem cell，MSC)能夠明顯改善急性心肌梗死72 h內(nèi)的心臟功能，而短期內(nèi)移植到體內(nèi)的MSC并未完全分化成有正常收縮功能的心肌細(xì)胞[19]，提示干細(xì)胞的旁分泌效應(yīng)，即干細(xì)胞分泌的外泌體可能在缺血心肌恢復(fù)中發(fā)揮了關(guān)鍵保護(hù)作用。

BARILE等[20]研究發(fā)現(xiàn),心臟祖細(xì)胞分泌的外泌體能夠抑制小鼠HL-1心肌細(xì)胞凋亡，同時(shí)能夠促進(jìn)人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞中的血管新生。進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)證實(shí)這些作用都是由外泌體中的miRNA介導(dǎo)的，其中miR-210下調(diào)ephrin A3和PTP1b，抑制心肌細(xì)胞凋亡，miRNA-132下調(diào)RasGap-p120的表達(dá)，從而促進(jìn)內(nèi)皮細(xì)胞的血管生成，進(jìn)而增加左心射血分?jǐn)?shù)，改善心肌功能。KHAN等[21]研究發(fā)現(xiàn)，胚胎干細(xì)胞分泌的外泌體miRNA-290家族，尤其是miRNA-294可顯著提高心肌細(xì)胞的存活和遷移，進(jìn)而加快心梗后心臟功能的修復(fù)過(guò)程。WANG等[22]研究證實(shí),誘導(dǎo)多功能干細(xì)胞分泌的外泌體miRNA-21、210可通過(guò)抑制caspase3、7的活化來(lái)減少心肌細(xì)胞的凋亡，進(jìn)而減輕缺血再灌注損傷。YU等[23]發(fā)現(xiàn),過(guò)表達(dá)GATA4的MSC分泌的外泌體能夠增加低氧環(huán)境下心肌細(xì)胞的存活率、減少心肌細(xì)胞凋亡以及保持線粒體的完整性，進(jìn)而發(fā)揮心臟保護(hù)作用。WANG等[24]認(rèn)為,人子宮內(nèi)膜來(lái)源的MSC同樣具有心臟保護(hù)作用，且這種保護(hù)作用是由外泌體中高分泌的miRNA-21介導(dǎo)的。miRNA-21可抑制下游靶蛋白PTEN的表達(dá)，從而增強(qiáng)了心肌細(xì)胞中Akt的磷酸化和Bcl-2的表達(dá)，抑制心肌細(xì)胞凋亡。

除了外泌體miRNA，外泌體包含的蛋白質(zhì)在細(xì)胞凋亡中也發(fā)揮重要的保護(hù)作用。VICENCIO等[25]發(fā)現(xiàn),在缺氧/復(fù)氧模型中對(duì)大鼠進(jìn)行遠(yuǎn)端缺血預(yù)處理后提取血漿中的外泌體，這些外泌體能夠減少心肌細(xì)胞凋亡，這種保護(hù)效應(yīng)是由于外泌體包含的HSP70與Toll樣受體4結(jié)合，激活下游的ERK和p38MAPK信號(hào)通路，磷酸化HSP27而抑制心肌細(xì)胞凋亡。

2.3 外泌體介導(dǎo)心肌肥厚

心肌肥厚不僅包含心肌細(xì)胞肥大，同時(shí)伴有心臟間質(zhì)的改變，進(jìn)而發(fā)生心肌肥大和心肌纖維化等病理改變。外泌體作為細(xì)胞間信息交流的載體，在這些病理過(guò)程中發(fā)揮重要作用。

2.3.1 心肌肥大

腎素-血管緊張素系統(tǒng)在高血壓的發(fā)病過(guò)程中發(fā)揮重要作用，其中血管緊張素Ⅱ(Angiotensin Ⅱ，Ang Ⅱ)是重要的效應(yīng)分子，研究發(fā)現(xiàn)成纖維細(xì)胞分泌的外泌體可抑制Ang Ⅱ誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞肥大。BANG 等[26]研究發(fā)現(xiàn),成纖維細(xì)胞分泌的外泌體中富含miRNA-21-3p，而miRNA-21-3p通過(guò)調(diào)控下游靶點(diǎn)SORBS2和PDLIM5影響心肌細(xì)胞功能。體內(nèi)和體外實(shí)驗(yàn)結(jié)果均顯示沉默SORBS2和PDLIM5可誘導(dǎo)心肌細(xì)胞肥大，且在Ang Ⅱ誘導(dǎo)的心肌肥大模型中下調(diào)miRNA-21-3p的表達(dá)可以抑制心肌細(xì)胞肥大。另一研究[27]則發(fā)現(xiàn),Ang Ⅱ誘導(dǎo)心肌成纖維細(xì)胞分泌的外泌體還能夠通過(guò)激活MAPK和Akt來(lái)增強(qiáng)心肌細(xì)胞中腎素-血管緊張素系統(tǒng)的活性，上調(diào)腎素、血管緊張素原、AT1R和AT2R的表達(dá)，進(jìn)而促進(jìn)心肌細(xì)胞肥大，而外泌體抑制劑則能夠有效地減弱這一病理過(guò)程。這些研究從細(xì)胞旁分泌的角度揭示了外泌體在心肌肥大中的重要作用。

2.3.2 心肌纖維化

心肌纖維化是病理性心肌肥厚的重要病理基礎(chǔ)，研究發(fā)現(xiàn)多種來(lái)源的外泌體通過(guò)調(diào)控心肌成纖維細(xì)胞增殖和細(xì)胞外基質(zhì)合成過(guò)程參與心肌纖維化的形成。FENG等[28]提出,經(jīng)缺血預(yù)處理后MSC分泌的外泌體中miRNA-22表達(dá)高，且miRNA-22通過(guò)靶向調(diào)控甲基化CpG結(jié)合蛋白2來(lái)抑制心肌成纖維細(xì)胞的增殖，進(jìn)而抑制心肌纖維化。在2型糖尿病小鼠模型中，運(yùn)動(dòng)可誘導(dǎo)心肌細(xì)胞分泌的外泌體中富含miRNA-29b和miRNA-455，這兩種miRNA通過(guò)靶向調(diào)節(jié)基質(zhì)金屬蛋白酶9來(lái)抑制細(xì)胞外基質(zhì)的合成，從而減少心肌纖維化[29]。

2.4 外泌體介導(dǎo)心臟免疫炎癥反應(yīng)

心血管重構(gòu)這一復(fù)雜過(guò)程除了由機(jī)械刺激誘導(dǎo)外，另一個(gè)主要的刺激因素是神經(jīng)體液因子。多種炎性細(xì)胞因子以及免疫細(xì)胞參與心血管重構(gòu)，包括白細(xì)胞介素-6(interleukin 6，IL-6)、巨噬細(xì)胞、單核細(xì)胞和T細(xì)胞等。外泌體可包裹炎性細(xì)胞因子作用于其他細(xì)胞，參與心血管重構(gòu)中的炎癥反應(yīng)過(guò)程。

TENG等[30]指出,MSC分泌的外泌體可增強(qiáng)血管形成和抑制T細(xì)胞的功能，進(jìn)而抑制過(guò)度炎癥反應(yīng)，起到保護(hù)心功能的作用。在心肌細(xì)胞分泌的外泌體中，miRNA-181b可抑制巨噬細(xì)胞的浸潤(rùn)過(guò)程，介導(dǎo)免疫反應(yīng)[31]。同樣地，免疫細(xì)胞分泌的外泌體也參與炎癥反應(yīng)過(guò)程。WANG等[32]研究發(fā)現(xiàn),在巨噬細(xì)胞分泌的外泌體中，miRNA-155靶向作用于心肌成纖維細(xì)胞，促進(jìn)成纖維細(xì)胞的炎癥反應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)外泌體在免疫細(xì)胞之間也發(fā)揮重要的信息交流作用。LIU等[33]認(rèn)為,缺氧狀態(tài)樹(shù)突狀細(xì)胞分泌的外泌體可上調(diào)CD4+T細(xì)胞中炎性因子IFN-γ和TNF-α的表達(dá)，進(jìn)而促進(jìn)T細(xì)胞的活化。

此外，在心臟外科手術(shù)中，體外循環(huán)技術(shù)的應(yīng)用可能誘導(dǎo)患者發(fā)生全身性炎癥反應(yīng)綜合征。POON等[34]采集使用過(guò)體外循環(huán)患者的血清，發(fā)現(xiàn)血清外泌體中的miRNA-223靶向作用于IL-6和NLRP3，進(jìn)而抑制炎癥反應(yīng)。另一研究[35]則發(fā)現(xiàn)，與健康對(duì)照組相比，慢性心力衰竭患者血漿中的外泌體增加，且其中的mtRNA可通過(guò)TLR9-NF-κB信號(hào)通路來(lái)促進(jìn)炎癥反應(yīng)的發(fā)生。這些研究結(jié)果顯示miRNA以外泌體為載體調(diào)控炎性因子的表達(dá)，參與心血管重構(gòu)過(guò)程中的炎癥反應(yīng)。

3 展望

自發(fā)現(xiàn)外泌體30多年以來(lái)，它在疾病中的作用受到越來(lái)越多的關(guān)注。外泌體作為細(xì)胞通訊的載體，遞送RNA、蛋白質(zhì)、脂質(zhì)等多種物質(zhì)，參與高血壓等心血管疾病誘導(dǎo)的心血管重構(gòu)的發(fā)生和發(fā)展，提示可能成為心血管疾病的診療新靶點(diǎn)。目前外泌體處于深入研究階段，但其在心血管重構(gòu)中靶向調(diào)控機(jī)制還尚未完全闡明。因此，外泌體在心血管重構(gòu)的診斷和治療中的作用值得深入探索，進(jìn)而為臨床提供新思路。