外泌體在心血管疾病中的研究進(jìn)展

張斯文 孫軼華

心血管疾病是指與心臟功能喪失相關(guān)的一組疾病，每年約有1770萬(wàn)人死于心血管疾病，這給人們的生命健康帶來(lái)了較大的負(fù)面影響，由于不健康的生活方式和人口老齡化現(xiàn)象，預(yù)計(jì)心血管疾病的病死率將進(jìn)一步攀升[1]。近年來(lái)，隨著冠狀動(dòng)脈介入治療技術(shù)和電生理技術(shù)的發(fā)展，心血管疾病的治療取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但仍存在局限性和不可滿足性。因此，探索一種新型高效的治療方式就顯得極為重要。值得注意的是，外泌體作為一種重要的細(xì)胞間信息交流載體，廣泛參與了心血管疾病的血管新生、心肌纖維化及免疫炎性反應(yīng)等病理生理過(guò)程，可能成為臨床心血管疾病治療的新靶點(diǎn)[2]。本文將對(duì)外泌體形成和釋放的特征及其在心血管疾病中的研究進(jìn)展做一綜述，以期為今后的研究和治療提供理論基礎(chǔ)。

一、外泌體的概述

外泌體是一種直徑為30～150nm的分泌型囊泡，具有經(jīng)典的脂質(zhì)雙層膜結(jié)構(gòu)，由Johnstone于1989年在研究網(wǎng)織紅細(xì)胞時(shí)發(fā)現(xiàn)。外泌體幾乎可被所有類型的細(xì)胞分泌，在電子顯微鏡下表現(xiàn)為磷脂雙層包裹的扁平球體，呈特征性杯狀外形[3]。外泌體的形成機(jī)制比較復(fù)雜，首先，細(xì)胞膜向內(nèi)出芽形成早期核內(nèi)體，隨后早期核內(nèi)體的內(nèi)體膜二次向內(nèi)出芽形成晚期核內(nèi)體，最后，晚期核內(nèi)體與質(zhì)膜融合以胞吐方式釋放到細(xì)胞外的腔內(nèi)囊泡即是外泌體。此過(guò)程主要由內(nèi)吞體分選轉(zhuǎn)運(yùn)復(fù)合體(endosomal sorting complex required for transport, ESCRT)完成，但是當(dāng)機(jī)體內(nèi)ESCRT耗竭時(shí)，則可通過(guò)CD63蛋白介導(dǎo)的非依賴ESCRT途徑完成[4]。外泌體從細(xì)胞釋放后可廣泛分布于血液、唾液、腦脊液、乳汁、腹腔積液、支氣管灌洗液、膽汁、尿液等體液中，并通過(guò)機(jī)體循環(huán)到達(dá)全身各處[5]。

外泌體作為一種重要的細(xì)胞間信息交流的載體，其內(nèi)部含有大量不同功能的蛋白質(zhì)，主要包括：①四跨膜蛋白超家族(CD9、CD53、CD63)；②熱休克蛋白(Hsp60、Hsp70、Hsp90)；③細(xì)胞內(nèi)源性蛋白(Alix蛋白、TSG101蛋白)；④轉(zhuǎn)膜蛋白及融合蛋白(GTPases、脂筏標(biāo)志性蛋白、膜聯(lián)蛋白)；⑤骨架蛋白(肌動(dòng)蛋白、微管蛋白)；⑥脂質(zhì)相關(guān)蛋白、磷脂酶。此外，外泌體中還含有多種不同類型的RNA分子，如mRNAs、circRNAs和miRNAs等，這些RNA分子可通過(guò)轉(zhuǎn)運(yùn)、內(nèi)吞傳遞給相應(yīng)的受體細(xì)胞，從而發(fā)揮其生物學(xué)功能[6]。研究報(bào)道，外泌體還具有穩(wěn)定性、廣泛性、特異性、靶向性、生物相容性、低免疫源性等特性[7]。這些特征都為其作為臨床心血管疾病的治療工具提供了潛在的可能性。

二、外泌體與糖尿病心肌病

糖尿病是一種以代謝功能障礙為表現(xiàn)的疾病，其并發(fā)癥是目前最緊迫的健康問(wèn)題之一。據(jù)報(bào)道，包括糖尿病心肌病在內(nèi)的心血管并發(fā)癥占糖尿病死亡人數(shù)的80%以上[8]。然而，關(guān)于糖尿病心肌病的發(fā)病機(jī)制尚不明確，這就嚴(yán)重限制了臨床防治策略的制定。近年來(lái)，外泌體在糖尿病心肌病的研究中取得了突出的進(jìn)展，有望為糖尿病心肌病的治療提供新策略。

Mst1(mammalian sterile 20-like kinase 1)是一種參與調(diào)節(jié)細(xì)胞凋亡和自噬Hippo途徑的蛋白質(zhì)。Hu等[9]研究發(fā)現(xiàn)，將糖尿病大鼠心肌微血管內(nèi)皮細(xì)胞提取的外泌體Mst1注入心肌細(xì)胞后，心肌細(xì)胞凋亡數(shù)目增加、自噬水平減低，胰島素抵抗水平加重。然而，沉默外泌體中Mst1蛋白，這種對(duì)心肌細(xì)胞損傷的作用就會(huì)消失。進(jìn)一步研究證實(shí)，心肌微血管內(nèi)皮細(xì)胞衍生的外泌體Mst1是通過(guò)減少心肌細(xì)胞內(nèi)葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白4和死亡結(jié)構(gòu)蛋白之間的相互作用以及增加Mst1和死亡結(jié)構(gòu)蛋白的結(jié)合來(lái)抑制糖尿病患者的葡萄糖攝取，從而加速了糖尿病心肌病的發(fā)生。此外，Wang等[10]的研究證實(shí)，糖尿病心肌細(xì)胞源性的外泌體miR-320可通過(guò)功能性下調(diào)心肌微血管內(nèi)皮細(xì)胞的靶基因胰島素樣生長(zhǎng)因子-1(insulin-like growth factor-1, IGF-1)、熱休克蛋白20(heat shock protein 20, Hsp20)的表達(dá)來(lái)抑制心肌微血管內(nèi)皮細(xì)胞的增殖、遷移和管狀形成。這一研究為解釋糖尿病引起的心肌血管生成障礙提供了一種新的分子機(jī)制。同一研究中還發(fā)現(xiàn)，敲除基因miR-320即可消除心肌細(xì)胞外泌體對(duì)糖尿病心血管生成的抑制作用，從而遏制糖尿病心肌病的進(jìn)展。

通過(guò)前述研究發(fā)現(xiàn)，糖尿病狀態(tài)下，心肌細(xì)胞、心血管內(nèi)皮細(xì)胞衍生的外泌體均有促進(jìn)糖尿病心肌病進(jìn)展的作用，但是，當(dāng)沉默糖尿病狀態(tài)下心臟細(xì)胞外泌體中相關(guān)的miRNA或蛋白質(zhì)后，外泌體的不利作用即會(huì)消失?；诖?，臨床監(jiān)測(cè)外泌體內(nèi)有關(guān)RNA或蛋白質(zhì)等指標(biāo)的數(shù)值變化以及研發(fā)低表達(dá)不利內(nèi)容物的外泌體藥物可能對(duì)糖尿病心肌病的診斷和治療具有重大現(xiàn)實(shí)意義。但目前，外泌體對(duì)糖尿病性心肌病作用的一系列研究仍局限在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，還需要更多的基礎(chǔ)研究和臨床實(shí)驗(yàn)去驗(yàn)證。

三、外泌體與心肌梗死

心肌梗死是缺血性心臟病/冠狀動(dòng)脈疾病的常在表現(xiàn)，其特點(diǎn)是冠狀動(dòng)脈血流突然中斷，導(dǎo)致供血心肌細(xì)胞缺血缺氧性壞死。此外，心肌梗死常伴有心肌收縮力下降和心排出量減少等表現(xiàn)。在晚期，心肌梗死嚴(yán)重時(shí)也可能導(dǎo)致心律失常、心源性休克、心力衰竭的發(fā)生[11]。盡管原發(fā)性冠狀動(dòng)脈成形術(shù)及藥物治療可在一定程度上修復(fù)心肌梗死后受損的心功能，但此方面的研究仍需要進(jìn)一步探索。最近，越來(lái)越多的證據(jù)表明，外泌體在心肌梗死的病理生理過(guò)程中起重要作用。一些來(lái)源于干細(xì)胞的外泌體被證明能夠改善心肌梗死后的心功能，可能是通過(guò)抑制心肌炎性反應(yīng)、減少心肌細(xì)胞凋亡和控制心肌纖維化發(fā)揮作用的。然而，一些外泌體也可能加重心肌梗死后的心肌損傷，并與血管損傷和心血管風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)。

Shao等[12]研究發(fā)現(xiàn)，間充質(zhì)干細(xì)胞衍生的外泌體(mesenchymal stem cell-derived exosome，MSC-Exo)可通過(guò)下調(diào)CD68的表達(dá)減少梗死區(qū)的炎性細(xì)胞浸潤(rùn)，從而改善心肌梗死后的心臟功能。為了增強(qiáng)其心肌保護(hù)作用，可以應(yīng)用缺氧、基因編程或藥物干預(yù)等對(duì)外泌體進(jìn)行預(yù)處理。Pan等[13]研究證實(shí)，miR-146a修飾的脂肪間充質(zhì)干細(xì)胞的外泌體可通過(guò)下調(diào)早期生長(zhǎng)反應(yīng)因子1(early growth response factor 1, EGR1)的表達(dá)來(lái)抑制IL-6、IL-1β和TNF-α的釋放，進(jìn)而減輕心肌局部炎性反應(yīng)，改善急性心肌梗死所致的心肌損傷。在同一研究中還發(fā)現(xiàn)，抑制EGR1的表達(dá)可逆轉(zhuǎn)心肌梗死誘導(dǎo)的NF-κB信號(hào)激活，從而阻止心肌細(xì)胞凋亡，減輕心肌纖維化，縮小心肌梗死面積，改善心功能。此外，Huang等[14]研究發(fā)現(xiàn)，將阿托伐他汀預(yù)處理的MSC-Exo應(yīng)用于大鼠急性心肌梗死模型后，心肌梗死區(qū)的血管密度明顯增加、心肌細(xì)胞凋亡數(shù)目大大減少，心功能得到顯著恢復(fù)。相關(guān)研究人員認(rèn)為，這一系列心肌的保護(hù)作用是由MSC-Exo中l(wèi)ncRNA H19進(jìn)行調(diào)控的。鑒于干細(xì)胞源性外泌體對(duì)心肌梗死后受損心臟具有強(qiáng)大的修復(fù)作用，可以此為切入點(diǎn)進(jìn)行更深入的研究，這將為臨床制定高效的心肌梗死治療方案提供新思路與方法。

近年來(lái)研究發(fā)現(xiàn)，缺氧條件下高分化的成年心肌細(xì)胞分泌的外泌體Hsp60對(duì)急性心肌梗死時(shí)期的心肌細(xì)胞有害。進(jìn)一步研究證實(shí)，缺氧預(yù)處理的心肌細(xì)胞外泌體Hsp60是通過(guò)激活Toll樣受體4(Toll-like receptor 4)來(lái)加重心肌梗死時(shí)心肌細(xì)胞凋亡水平的[15]。此外，Wang等[16]在心肌梗死小鼠模型中觀察到，巨噬細(xì)胞衍生的外泌體中的miR-155表達(dá)顯著上調(diào)，此種外泌體可被轉(zhuǎn)移到心臟成纖維細(xì)胞內(nèi)，進(jìn)而抑制成纖維細(xì)胞增殖并促進(jìn)心肌梗死狀態(tài)下心臟炎性反應(yīng)進(jìn)展。對(duì)外泌體中的miR-155進(jìn)行抑制或敲除是控制心肌梗死惡性進(jìn)展的方法之一。值得注意的是，越來(lái)越多的研究發(fā)現(xiàn)，外泌體內(nèi)部miRNA與心肌梗死時(shí)的疾病進(jìn)展呈高度相關(guān)，因此，有人試圖把血清或血漿外泌體中的miRNA作為診斷心肌梗死進(jìn)展的生物學(xué)標(biāo)志物。例如，在心肌梗死發(fā)生的早期階段，循環(huán)中的多種miRNA(miR-208b、miR-499、miR-34a)明顯上升，且以外泌體包裹的形式釋放到外周血液循環(huán)中，尤其是miR-34a還與心肌梗死后左心室舒張末期內(nèi)徑密切相關(guān)，這提示miR-34a可作為心肌梗死患者心力衰竭發(fā)展的預(yù)測(cè)因子[17]。

四、外泌體和動(dòng)脈粥樣硬化

動(dòng)脈粥樣硬化是一種脂質(zhì)沉積引起的以慢性炎癥為特征的血管壁損傷性疾病，嚴(yán)重威脅了人類的生命健康。近年來(lái)的研究發(fā)現(xiàn)，外泌體作為重要的細(xì)胞間通訊介質(zhì)，在動(dòng)脈粥樣硬化發(fā)展及潛在治療中發(fā)揮著重要作用。

在動(dòng)脈粥樣硬化的發(fā)展方面，Lu等[18]研究發(fā)現(xiàn)，巨噬細(xì)胞、血管平滑肌細(xì)胞和血小板衍生的外泌體可通過(guò)激活NF-κB途徑向受體細(xì)胞傳遞炎性細(xì)胞因子及miRNAs(如miR-155、miR-223)，從而導(dǎo)致內(nèi)皮炎癥及動(dòng)脈粥樣硬化的進(jìn)展。有趣的是，Wang等[19]研究發(fā)現(xiàn)，炎癥刺激下，內(nèi)皮細(xì)胞會(huì)分泌大量富含miR-92a-3p的外泌體，當(dāng)其被轉(zhuǎn)移到血管平滑肌細(xì)胞后，可通過(guò)影響細(xì)胞的增殖和遷移來(lái)進(jìn)一步增強(qiáng)動(dòng)脈粥樣硬化的免疫炎癥。此外，隨著動(dòng)脈粥樣硬化炎癥的進(jìn)展，富含膽固醇、神經(jīng)酰胺及甘油磷脂的外泌體數(shù)目也會(huì)明顯增多，它能夠通過(guò)促進(jìn)內(nèi)皮細(xì)胞凋亡來(lái)進(jìn)一步的加速動(dòng)脈粥樣的惡性進(jìn)展。

值得注意的是，越來(lái)越多的研究發(fā)現(xiàn)，干細(xì)胞的外泌體在動(dòng)脈粥樣硬化的治療中具有潛在的修復(fù)作用。Li等[20]研究證實(shí)，MSC-Exo可通過(guò)上調(diào)miR-let7的表達(dá)來(lái)誘導(dǎo)M2型巨噬細(xì)胞的極化，從而逆轉(zhuǎn)動(dòng)脈粥樣硬化的進(jìn)展。MSC-Exo主要是通過(guò)miR-let7/HMGA2/NF-κB途徑來(lái)發(fā)揮作用的。此外，Xing等[21]研究發(fā)現(xiàn)，脂肪干細(xì)胞源性的外泌體可通過(guò)抑制miR-343-5p來(lái)保護(hù)內(nèi)皮細(xì)胞，進(jìn)而防止動(dòng)脈粥樣硬化的惡性進(jìn)展。

五、外泌體與心力衰竭

心力衰竭是一種復(fù)雜的異質(zhì)性綜合征，它是由心室充盈或血液排出障礙引起的，常伴有呼吸困難、疲勞以及肺水腫等臨床癥狀。心力衰竭是一個(gè)重大和日益嚴(yán)重的公共衛(wèi)生問(wèn)題，導(dǎo)致了較高的發(fā)生率和病死率，而對(duì)抗心力衰竭的斗爭(zhēng)正在給衛(wèi)生保健系統(tǒng)帶來(lái)前所未有的成本負(fù)擔(dān)。盡管循證藥理學(xué)和器械療法得到廣泛應(yīng)用，但仍有50%的心力衰竭患者將在5年內(nèi)死亡。心力衰竭患者可出現(xiàn)一系列癥狀，其嚴(yán)重程度從相對(duì)無(wú)癥狀到明顯功能障礙[22]。心力衰竭的發(fā)病機(jī)制主要包括腎素-血管緊張素系統(tǒng)的激活、心臟血管生成減少、心肌纖維化等。諸多研究結(jié)果表明，外泌體可通過(guò)影響上述病理機(jī)制來(lái)參與心力衰竭的發(fā)生與發(fā)展。

1.外泌體和腎素-血管緊張素系統(tǒng)：腎素-血管緊張素系統(tǒng)是一種多肽級(jí)聯(lián)系統(tǒng)，除了對(duì)血壓和鈉穩(wěn)態(tài)具有經(jīng)典的調(diào)節(jié)作用外，還參與了心力衰竭的疾病進(jìn)展。血管緊張素Ⅱ(angiotensin Ⅱ, AngⅡ)是該系統(tǒng)的主要效應(yīng)激素，它即可以作為全身激素，又可以作為局部產(chǎn)生因子來(lái)發(fā)揮作用。最近一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，腎素-血管緊張素系統(tǒng)的激活時(shí)，AngⅡ的表達(dá)會(huì)顯著上調(diào)，上調(diào)的AngⅡ會(huì)進(jìn)一步刺激心肌成纖維細(xì)胞分泌大量富含miR-21的外泌體，此后，成纖維細(xì)胞源性的外泌體miR-21被遞送到心肌細(xì)胞內(nèi)，從而導(dǎo)致了心力衰竭的發(fā)生。另一方面，心肌成纖維細(xì)胞源性的外泌體也可通過(guò)激活絲裂原活化蛋白酶和蛋白激酶B來(lái)下調(diào)腎素、血管緊張素原的表達(dá)而促進(jìn)AngⅡ的生成，這種效應(yīng)也會(huì)引發(fā)心力衰竭的發(fā)生[23]。由此可知，抑制AngⅡ誘導(dǎo)的外泌體分泌可在一定程度上控制心力衰竭的發(fā)生。

2.外泌體與血管生成：血管生成是已有的內(nèi)皮細(xì)胞形成新血管的過(guò)程，它在心肌修復(fù)中起重要作用。最近的一項(xiàng)研究報(bào)道,慢性心力衰竭患者外周血CD34陽(yáng)性干細(xì)胞源性的外泌體miR-126和miR-130a表達(dá)顯著減少，進(jìn)一步的研究證實(shí)，外泌體miR-126和miR-130a能夠通過(guò)下調(diào)血管生成陰性調(diào)節(jié)因子SPRED1和HOXA5來(lái)刺激血管生成[24]。與此同時(shí)，Qiao等[25]開(kāi)展的研究也發(fā)現(xiàn)，與正常人心臟組織分離的基質(zhì)細(xì)胞比較，心力衰竭患者心臟組織分離的基質(zhì)細(xì)胞能夠顯著抑制心肌細(xì)胞增殖及體外管腔的形成。該現(xiàn)象的具體原因是由正常人基質(zhì)細(xì)胞富含外泌體miR-21,它可通過(guò)PTEN/AKT信號(hào)通路促進(jìn)細(xì)胞增殖與血管生成，而心力衰竭患者基質(zhì)細(xì)胞由于低表達(dá)外泌體miR-21，從而使血管生成受到了抑制。以上研究表明，心力衰竭時(shí)的血管生成障礙與其疾病狀態(tài)下衍生的外泌體中相關(guān)miRNA減少密切相關(guān)，這一發(fā)現(xiàn)為臨床治療心力衰竭患者的血管生成障礙提供了新思路。

3.外泌體與心肌纖維化：心肌纖維化是一種不良的心臟重塑，往往是由多種不同形式的心臟損傷(包括血流動(dòng)力學(xué))引起的，也是導(dǎo)致心力衰竭發(fā)展的一個(gè)重要因素。轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β1(transforming growth factor-β1, TGF-β1)作為一個(gè)致心肌纖維化的主要因子，心力衰竭時(shí)它的含量會(huì)明顯升高。研究證實(shí)，心力衰竭狀態(tài)下，外泌體miR-425可通過(guò)結(jié)合 TGF-β1的3′非翻譯區(qū)，而抑制心肌纖維化和心力衰竭的發(fā)展[26]。然而，Yang等[27]在大鼠心力衰竭模型中研究發(fā)現(xiàn)，心肌細(xì)胞衍生的外泌體miR-208a可通過(guò)靶向調(diào)控Dyrk2來(lái)促進(jìn)心臟纖維化進(jìn)展。綜上所述，心力衰竭疾病狀態(tài)下，心肌細(xì)胞來(lái)源的外泌體在心肌纖維化中扮演著雙重角色，其具體作用效果與攜帶的內(nèi)容物密切相關(guān)。

五、展 望

自外泌體發(fā)現(xiàn)以來(lái)，關(guān)于外泌體的研究層出不窮，尤其是近年來(lái)外泌體在心血管疾病領(lǐng)域的研究受到了廣泛關(guān)注。外泌體可通過(guò)傳遞自身攜帶的內(nèi)容物來(lái)干預(yù)糖尿病心肌病、心肌梗死、動(dòng)脈粥樣硬化、心力衰竭的發(fā)生與發(fā)展。但是，鑒于外泌體來(lái)源、產(chǎn)生途徑以及富含內(nèi)容物的多樣性，其在心血管疾病中作用也各不相同。一方面，干細(xì)胞源性或其他含有有利內(nèi)容物源性的外泌體可通過(guò)影響炎性反應(yīng)，細(xì)胞凋亡、心肌纖維化、血管生成來(lái)發(fā)揮心臟保護(hù)作用。另一方面，疾病病灶刺激或攜帶有害內(nèi)容物的外泌體也可通過(guò)影響相關(guān)分子機(jī)制來(lái)加重心血管疾病的進(jìn)展。因此，外泌體在心血管疾病的病理生理進(jìn)程中發(fā)揮著重要作用，應(yīng)用得當(dāng)可成為臨床心血管疾病治療的一個(gè)潛在的有力武器。盡管如此，但其在治療方面還存在一系列挑戰(zhàn)：①現(xiàn)有的提取方法難以一次性制備大量外泌體；②外泌體對(duì)心血管疾病體內(nèi)治療的安全性、生物有效性仍缺乏嚴(yán)格的科學(xué)驗(yàn)證；③關(guān)于外泌體在心血管疾病中的研究仍處在起步階段，還有很多外泌體的功能或者作用具體機(jī)制還需要進(jìn)一步探索。相信隨著臨床醫(yī)學(xué)的進(jìn)步和發(fā)展，外泌體在心血管領(lǐng)域一定會(huì)有更廣泛的應(yīng)用前景。