間充質(zhì)干細胞外泌體在疾病中作用機制的研究進展

龍雨飛 駱宜茗 齊忠權(quán)△

(1.廣西大學(xué)醫(yī)學(xué)院,廣西 南寧 530004; 2.廈門大學(xué)附屬第一醫(yī)院,福建 廈門 361000)

外泌體(Exo)是一種可由大多數(shù)細胞釋放的囊泡樣物質(zhì)，直徑約40～160 nm。它起源于內(nèi)吞途徑[1]：細胞質(zhì)膜內(nèi)吞形成早期內(nèi)體，早期內(nèi)體可發(fā)育為晚期內(nèi)體，晚期內(nèi)體向內(nèi)出芽形成管腔囊泡并成為多泡體，部分多泡體與細胞質(zhì)膜融合，釋放的管腔囊泡即是外泌體。多泡體的發(fā)生過程使得外泌體最終含有與來源細胞相關(guān)的核酸和蛋白質(zhì)，這是外泌體發(fā)揮與來源細胞相似生理功能的必要條件。

間充質(zhì)干細胞(MSC)是一種具有自我更新、多向分化能力的成體干細胞，首先從骨髓中分離出來，隨后發(fā)現(xiàn)從骨膜、脂肪、肌肉、胎盤、臍帶、臍帶血中也可分離和制備MSC。早期認為MSC對損傷的修復(fù)是基于分化替代，進一步研究則發(fā)現(xiàn)MSC體內(nèi)存留時間短，靜脈注射MSC多數(shù)滯留于肺、脾等臟器[2]，因此MSC的旁分泌作用被日漸關(guān)注。研究發(fā)現(xiàn)，MSC外泌體(MSC-Exo)能夠起到MSC相似的生理作用，可改善細胞功能和表型、調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)等而達到治療疾病的目的。本文就MSC-Exo在疾病治療中的作用機制進行綜述。報告如下。

1 靶向作用于受體細胞

MSC-Exo作用于受體細胞的機制有3種，發(fā)揮作用時可能涉及多個途徑[3]：(1)MSC-Exo膜上配體與受體細胞結(jié)合，將識別信號轉(zhuǎn)入胞內(nèi)；(2)MSC-Exo通過與受體細胞膜融合或胞吞等方式進行受體細胞，將內(nèi)容物釋放到胞內(nèi)，實現(xiàn)信息傳遞；(3)MSC-Exo釋放內(nèi)容物或表面膜蛋白被裂解為可溶性配體，作用于受體細胞表面，完成信息傳遞。

MSC-Exo在經(jīng)系統(tǒng)給藥或鼻腔給藥后可以通過血腦屏障到達腦部區(qū)域發(fā)揮治療作用，這種遷移和歸巢與炎癥信號高度相關(guān)。研究證實[4]，在缺血性中風、自閉癥、帕金森病和阿爾茨海默病小鼠模型中，經(jīng)鼻腔給藥的MSC-Exo均可特異性地靶向到不同的病理相關(guān)區(qū)域，持續(xù)長達96 h。百日咳毒素可抑制固有免疫細胞的早期趨化募集；使用百日咳毒素可阻止MSC-Exo歸巢，表明MSC-Exo的靶向性可能與激活的固有免疫細胞有關(guān)。

MSC-Exo具有靶向腫瘤組織的能力。利用MSC-Exo的囊泡結(jié)構(gòu)容納藥物，參與藥物的遞送可提高生物利用度。阿霉素(doxorubicin,DOX)可有效的抗擊腫瘤，但生物利用度低，并存在劑量依賴的心臟毒性。MSC-Exo裝載DOX，可提高對MG63骨肉瘤細胞系對DOX的攝取效率，降低對心肌H9C2細胞系的毒性[5]。

通過對MSC-Exo修飾，可進一步提高靶向性。索拉非尼可顯著改善肝癌患者的預(yù)后，但易耐藥；修飾siGRP78的骨髓MSC-Exo聯(lián)合索拉非尼，可提高索非拉尼的利用度，靶向作用于肝癌細胞的GRP78位點，抑制癌細胞的生長和轉(zhuǎn)移，實現(xiàn)耐藥逆轉(zhuǎn)[6]。

2 提供神經(jīng)營養(yǎng)因子

神經(jīng)營養(yǎng)因子是一類在神經(jīng)元生長和發(fā)育中起關(guān)鍵作用的生長因子，可促進包括脫髓鞘病變下的神經(jīng)元存活。MSC在體內(nèi)外均能產(chǎn)生多種神經(jīng)營養(yǎng)因子；MSC-Exo也繼承了這一特性。研究證明[7]，MSC-Exo含有腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子(BDNF)、胰島素樣生長因子(IGF)、肝細胞生長因子(HGF)、血管內(nèi)皮生長因子(VEGF)等多種營養(yǎng)因子及生長因子。谷氨酸堆積可引起神經(jīng)細胞凋亡；富含IGF和HGF的MSC-Exo可改善谷氨酸造成的神經(jīng)損傷。在高糖誘導(dǎo)的視網(wǎng)膜神經(jīng)細胞凋亡中，MSC-Exo可傳遞BDNF，促進視網(wǎng)膜神經(jīng)元細胞中Trkb蛋白表達，減少高糖環(huán)境對視神經(jīng)元的損傷，從而有效保護視網(wǎng)膜[8]。

3 提供microRNA

MicroRNA(miRNA)是一種內(nèi)源性微小非編碼RNA，通過與靶基因堿基配對互補，參與轉(zhuǎn)錄后基因調(diào)控，可引起靶基因抑制和降解。MSC-Exo可攜帶多種miRNA，從而遠距離進行細胞間信息交流，實現(xiàn)對靶細胞的基因調(diào)控。Liu等人[9]證實，缺氧條件下的MSC-Exo (Hypo-Exo)對骨折愈合有明顯促進作用；將MSC的缺氧誘導(dǎo)因子1α(HIF‐1α)敲低可導(dǎo)致MSC及其外泌體中miR-126的顯著減少，并消除Hypo-Exo的促愈合作用。

MSC-Exo在成骨分化各個階段至關(guān)重要，且至少有部分對成骨分化的調(diào)控作用是由miRNA引起的：它的親本根據(jù)分化階段分泌具有不同生物學(xué)特性的外泌體，促使同型細胞向成骨分化，或成骨分化后期可誘導(dǎo)細胞外基質(zhì)礦化[10]。Yang等人[11]將MSC-Exo與人成骨細胞共培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)MSC-Exo肺腺癌轉(zhuǎn)錄本1通過介導(dǎo)miR-34c/SATB2軸增強骨質(zhì)疏松小鼠成骨細胞活性。MSC-Exo傳遞的miR-126-3p則可通過下調(diào)分解蛋白和金屬蛋白酶9來抑制胰腺癌細胞的增殖、侵襲和轉(zhuǎn)移，并在體外和體內(nèi)促進胰腺癌細胞的凋亡[12]。

4 改善炎癥

MSC-Exo中富含參與調(diào)控多種生物過程的蛋白，如金屬硫蛋白-2，經(jīng)全身性給藥后作用域結(jié)腸巨噬細胞[13]，可顯著緩解不同模型中的結(jié)腸炎，抵抗炎癥再刺激。干擾素γ(IFNγ)刺激下產(chǎn)生的MSC-Exo(IFNγ-Exo)治療實驗性自身免疫性腦脊髓炎，可減輕脫髓鞘病變和神經(jīng)炎癥[14]。IFNγ-Exo[15]含有多種抗炎RNA，抑制這些RNA可部分抑制外泌體誘導(dǎo)調(diào)節(jié)性T細胞(Treg)的潛力。另外，IFNγ-Exo可降低外周血單核細胞增殖和Th1和Th17細胞因子(包括IL-6、IL-12p70、IL-17AF和IL-22)的水平，增加免疫抑制細胞因子吲哚胺2,3-雙加氧酶分泌。

MSC-Exo能將阻礙內(nèi)源性干細胞和祖細胞分化和再生的促炎性環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)槟褪苄原h(huán)境，促進再生[16]；或通過抑制炎癥介質(zhì)和NLRP3炎癥小體激活，發(fā)揮抗炎作用[17]。MSC-Exo應(yīng)用于造血干細胞移植后類固醇難治性急性移植物抗宿主病(GVHD)的臨床研究[18]顯示，MSC-Exo回輸后，患者外周血IL-1β、TNFα和IFNγ水平下降；2周內(nèi)急性GVHD癥狀顯著改善，并能持續(xù)穩(wěn)定，類固醇日劑量明顯減少。在急性腎損傷(acute kidney injury,AKI)模型中，MSC-Exo能減少AKI誘導(dǎo)的氧化應(yīng)激、凋亡和纖維化，促進內(nèi)源性腎細胞生成，減少炎癥反應(yīng)和增加抗炎細胞因子的分泌，抑制AKI誘導(dǎo)的巨噬細胞和淋巴細胞在腎臟的浸潤，改善腎功能[19]。

5 調(diào)節(jié)免疫系統(tǒng)

MSC-Exo具有廣泛調(diào)節(jié)免疫細胞的能力，可被應(yīng)用于組織再生和自身免疫病。MSC-Exo被巨噬細胞攝取后，其攜帶的活性STAT3將激活精氨酸酶-1，誘導(dǎo)巨噬細胞向M2極化，減輕炎癥[20]。MSC-Exo整合入脂多糖刺激的海馬星形膠質(zhì)細胞，可降低星形膠質(zhì)細胞反應(yīng)性增生和炎癥反應(yīng)[21]；整合入未成熟DC，可抑制DC攝取抗原和成熟，減少IL-6和IL-12p70分泌，增加TGF-β分泌[22]。MSC-Exo可降低異基因小鼠腎移植模型中IL-12 mRNA的表達以及IL-12的產(chǎn)生，通過增加miR146a的表達，可改善樹突狀細胞成熟度，提高同種異體腎移植的存活率[23]。GVHD小鼠模型的研究顯示，MSC-Exo可抑制初始T細胞向效應(yīng)型分化[24]，誘導(dǎo)Th1轉(zhuǎn)化為Th2，抑制Th17細胞分化，誘導(dǎo)Treg產(chǎn)生，改善病理損傷[25]。

6 促進血管生成

從與外周動脈疾病相似的培養(yǎng)基(0%胎牛血清，1%O2)中分離的MSC-Exo含有許多促血管生成的因子，可增加梗死心臟的血管密度，降低心肌細胞凋亡，減少纖維化，其機制與中性鞘磷脂酶2表達及miR-210有關(guān)[26]。MSC-Exo可提高移植皮瓣成活率，促進新生血管形成，減輕缺血-再灌注損傷后皮瓣的炎癥反應(yīng)和細胞凋亡[27]。MSC-Exo還參與造血重建，提高移植HSC活性，降低其分化程度，增強NSG小鼠外周血向骨髓生態(tài)位遷移[28]。經(jīng)離子處理的MSC-Exo氧化鐵納米顆粒囊泡，在磁引導(dǎo)下可顯著聚集在脊髓損傷處促進血管形成，減輕炎癥和凋亡，改善脊髓功能[29]。在糖尿病傷口模型中，MSC-Exo攜帶的miRNA-126可下調(diào)PTEN，激活PI3K/AKT信號通路，刺激血管生成，促進傷口愈合[30]。

7 展 望

MSC-Exo與其來源細胞生理功能相似，兩者作用方式[31]和療效[32]仍存在一定差異，MSC-Exo內(nèi)容物存在的隱患[33]也不可忽視。但外泌體具有低免疫原性、無內(nèi)源性成瘤風險、不必移植及輸注活細胞、可過濾滅菌降低污染風險、易于規(guī)模生產(chǎn)、儲存條件更簡便等獨特的優(yōu)勢。因此，外泌體預(yù)處理策略、給藥策略和穩(wěn)定性研究，或?qū)⒊蔀槲磥硌芯繜狳c?？梢灶A(yù)見，MSC-Exo將成為許多退行性和炎癥性疾病、器官移植后降低排斥反應(yīng)、改善移植物功能新型的強有力治療劑。MSC-Exo用于治療疾病，前景令人期待。