外泌體的抗感染作用研究進(jìn)展

馬楓茜,陳瑞楓,丁壽鵬,李祥芳,吳利先

(大理大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院微生物學(xué)與免疫學(xué)教研室,云南 大理 671000)

外泌體是起源于內(nèi)吞途徑的納米級(jí)微小囊泡的一種,直徑約為30～150 nm,其表面表達(dá)CD63、CD9 和 CD81 等生物標(biāo)志物[1-3]。由人體幾乎所有類型細(xì)胞分泌,如間充質(zhì)干細(xì)胞、NK 細(xì)胞和T 細(xì)胞以及中性粒細(xì)胞,它們具有母細(xì)胞的許多顯著特征,同時(shí)具有自己的獨(dú)特特征,含有DNA、RNA、蛋白質(zhì)、脂質(zhì)、核酸和代謝產(chǎn)物等生物活性大分子,并且能夠?qū)⑦@些物質(zhì)轉(zhuǎn)移到其他受體細(xì)胞,調(diào)節(jié)受體細(xì)胞的功能[4-6]。外泌體存在于正?；虿±頎顟B(tài)的各種體液中,因此,可以在不同的體液中檢測(cè)外泌體并可用作潛在診斷生物標(biāo)志物,此外,其向受體細(xì)胞傳遞的物質(zhì)有效地改變了受體細(xì)胞的生物反應(yīng),可以促進(jìn)或抑制疾病的進(jìn)展[6-7]。近年來,研究者逐漸闡明免疫細(xì)胞衍生的外泌體在健康生理過程和病理?xiàng)l件中的作用。例如,在遇到感染時(shí),受感染的宿主細(xì)胞會(huì)釋放外泌體,其中包含源自病原體的物質(zhì),這些物質(zhì)可以誘導(dǎo)針對(duì)病原體的免疫反應(yīng)[8]。此外,NK 細(xì)胞衍生的外泌體還含有典型的分子,如CD56、激活受體自然殺傷組2D(nature kill G2D,NKG2D)和誘導(dǎo)凋亡的 FAS 配體(Fas ligand,FASL),以及穿孔素和顆粒酶等,在體外誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞系凋亡[9]。另一方面,外泌體也可以作為 miRNA、mRNA 或藥物的載體或運(yùn)載工具,從而促進(jìn)細(xì)胞間通訊和免疫調(diào)節(jié)[3,10]。鑒于外泌體的生物學(xué)特性,以及其在病毒、細(xì)菌、真菌的發(fā)病機(jī)制、傳播和緩解中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用,本綜述旨在為一些重要的外泌體如何影響感染性疾病進(jìn)展提供更廣泛的視角。

1 外泌體的抗病毒作用

外泌體有獨(dú)特的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用潛力,在抗病毒感染中,由于抗病毒藥物必須穿過細(xì)胞屏障,如胎盤屏障或血腦屏障,才能到達(dá)靶細(xì)胞,從而發(fā)揮更好的治療效果,而外泌體作為跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)治療劑的納米載體,有望成為正在研究的針對(duì)抗病毒感染的潛在治療方法,為臨床治療提供可靠的治療途徑[11]。

1.1 外泌體在抗病毒中的作用

早在2013 年,Li 等[12]就提出T 細(xì)胞釋放的外泌體對(duì)人類免疫缺陷病毒(human immunodeficiency virus,HIV)感染有抑制作用。與來源于CD4+T 細(xì)胞的CD4 分子缺失的外泌體相比,含有CD4+的外泌體可以抑制HIV-1 感染,這可能是由于含有CD4分子的外泌體掩蓋了HIV-1 包膜蛋白,從而抑制了HIV 感染。同樣,CD8+T 細(xì)胞分泌的外泌體也可以抑制感染細(xì)胞內(nèi)的HIV 的轉(zhuǎn)錄。另一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)感染了HSV-1 的細(xì)胞會(huì)分泌更多的外泌體,并且其中含有多余細(xì)胞內(nèi)兩倍多的CD63 四肽,而CD63 對(duì)HSV-1 感染存在影響,CD63 陽性的外泌體可以控制病毒在宿主中的傳播,雖然病毒可以利用外泌體生物發(fā)生的機(jī)制進(jìn)行自身組裝,但它也可以刺激CD63陽性外泌體的釋放以限制感染[13]。迄今為止,外泌體抑制病毒感染的實(shí)例越來越多,并且得到了證實(shí)。據(jù)報(bào)道,Conzelmann 等[14]研究表明唾液分泌的純化的外泌體能夠抑制塞卡病毒的感染。塞卡病毒可以通過體液,埃及伊蚊和白伊蚊傳播,但研究者發(fā)現(xiàn)它不能通過深吻傳播。唾液分泌的外泌體表達(dá)典型的外泌體標(biāo)志物,如CD9、CD63 和CD81,并在唾液中高度富集,能防止塞卡病毒的附著并且競(jìng)爭(zhēng)性地阻斷塞卡病毒與靶細(xì)胞的連接,從而抑制病毒感染。但同時(shí)也發(fā)現(xiàn)唾液分泌的外泌體對(duì)SARS-CoV-2 的傳播沒有影響。

除了以上提到的,最近很多研究表明,外泌體作為一種輸送系統(tǒng),用于遞送小分子物質(zhì),如mRNA、RNA、肽、蛋白質(zhì)和許多其他生物分子,用于治療各種病毒性疾病[15-18]。之后,Gu 等[19]研究發(fā)現(xiàn)源自臍帶間充質(zhì)干細(xì)胞(hucMSC)的外泌體通過激活 AMPK/mTOR 介導(dǎo)的自噬通量通路減輕柯薩奇病毒3(coxsackievirus 3,CVB3)誘導(dǎo)的心肌炎,從而減輕心肌細(xì)胞凋亡,這將有利于臍帶間充質(zhì)干細(xì)胞的外泌體治療心肌炎。在該研究中,體內(nèi)結(jié)果顯示,hucMSC-外泌體顯著減輕了心肌損傷,減少了促炎細(xì)胞因子的產(chǎn)生并改善了心臟功能。此外,體外數(shù)據(jù)顯示,hucMSC-外泌體通過增加pAMPK/AMPK 比值和上調(diào)自噬蛋白LC3II/I、BECLIN-1 和抗凋亡蛋白BCL-2 來抑制CVB3 感染的HCM 的凋亡。以及降低pmTOR/mTOR 比值,促進(jìn)自噬通量蛋白P62的降解和下調(diào)凋亡蛋白BAX。外泌體在抗病毒感染和抗腫瘤中都發(fā)揮著無法忽視的作用,但它也并不是單獨(dú)發(fā)揮相應(yīng)的作用,在一些病毒相關(guān)腫瘤中也抑制該病毒引起的腫瘤的發(fā)生發(fā)展。例如,去年的一項(xiàng)研究表明,γδT2 細(xì)胞可以直接殺傷愛潑斯坦-巴爾病毒(EB 病毒)相關(guān)的腫瘤細(xì)胞。并且,Wang 等[20]還發(fā)現(xiàn)同種異體的γδT2 細(xì)胞外泌體比自體外泌體具有更強(qiáng)的活性,不僅能直接殺傷EB病毒相關(guān)的腫瘤細(xì)胞,而且可以通過增強(qiáng)T 細(xì)胞介導(dǎo)的抗腫瘤活性,間接抑制腫瘤的發(fā)生和發(fā)展。此外,該研究還發(fā)現(xiàn)γδT2 細(xì)胞源性外泌體在治療EB病毒相關(guān)腫瘤方面優(yōu)于DC 源性外泌體和NK 源性外泌體,因?yàn)棣忙腡2 細(xì)胞既有細(xì)胞毒性又有刺激T細(xì)胞的抗腫瘤能力。

1.2 外泌體的間接抗病毒作用

外泌體除了直接抗病毒作用外,Jungbauer[21]在2018 年報(bào)道的一項(xiàng)基于外泌體的疫苗研究表明,一種外泌體衍生的候選疫苗(由表達(dá)人乳頭瘤病毒E7蛋白的DNA 載體與攜帶Nef 蛋白的外泌體C 末端融合而成)能夠刺激細(xì)胞毒性T 淋巴細(xì)胞對(duì)人乳頭瘤病毒E7 蛋白的反應(yīng)。外泌體還參與病毒的發(fā)病機(jī)制與免疫反應(yīng),想要更好的利用外泌體進(jìn)行相應(yīng)的疾病治療,還需更加了解它參與的發(fā)病機(jī)制,才能更好的為臨床治療服務(wù)。

2 外泌體的抗細(xì)菌作用

許多有關(guān)外泌體的研究都集中在抗腫瘤和抗病毒上。然而,新的研究表明外泌體或感染病原體的細(xì)胞來源的外泌體也可以促進(jìn)抗原提呈和巨噬細(xì)胞活化,誘導(dǎo)抗菌反應(yīng),從而控制細(xì)菌復(fù)制。

2.1 外泌體在抗分枝桿菌中的作用

Bhatnagar 等[22]研究表明,感染細(xì)胞內(nèi)病原體如結(jié)核分枝桿菌、牛分枝桿菌、BCG 的巨噬細(xì)胞釋放出的外泌體中包含有病原體相關(guān)分子模式(PAMPs)。這些外泌體在接觸未感染的巨噬細(xì)胞時(shí),會(huì)通過Toll 樣受體(toll-like receptor,TLR)和髓樣分化因子88(myeloid differentiation factor 88,MYD88)依賴性方式刺激受體幼稚巨噬細(xì)胞的促炎反應(yīng),發(fā)揮抗細(xì)胞內(nèi)病原體感染的作用。同樣,感染鳥分枝桿菌巨噬細(xì)胞的外泌體能夠增強(qiáng)巨噬細(xì)胞CD80 和CD86 的表達(dá)以及TNF-α 和IFN-β 的分泌,從而引起免疫激活[23]。在此基礎(chǔ)上,Wang等[24]也發(fā)現(xiàn)未感染的巨噬細(xì)胞在用感染鳥分枝桿菌的巨噬細(xì)胞分泌的外泌體刺激后增加了CD40、CD80、CD81、CD86、HLA-DR,尤其是CD195 的表達(dá),同時(shí)也增強(qiáng)了IL-6、IL-8、IL-10、IFN-I 和 TNF-I的分泌。以上這些研究表明,來自分枝桿菌感染巨噬細(xì)胞的外泌體可以充當(dāng) PAMPs,誘導(dǎo)幼稚巨噬細(xì)胞活化,刺激抗分枝桿菌免疫反應(yīng)。如上所述,結(jié)核分枝桿菌感染巨噬細(xì)胞衍生的外泌體刺激幼稚巨噬細(xì)胞并誘導(dǎo)促炎細(xì)胞因子的分泌,激活機(jī)體免疫系統(tǒng),繼而引起結(jié)核分枝桿菌的自噬清除[25]。

2.2 外泌體在抗其他細(xì)菌中的作用。

除了分枝桿菌外,在嗜肺軍團(tuán)菌感染的情況下,外泌體不僅激活周圍的肺泡上皮細(xì)胞發(fā)揮細(xì)胞間通訊作用,還通過Toll 樣受體2(TLR2)激活靜息狀態(tài)的巨噬細(xì)胞,導(dǎo)致增強(qiáng)的 CXCL8 釋放,有利于創(chuàng)造促炎環(huán)境以產(chǎn)生免疫反應(yīng),最終通過募集中性粒細(xì)胞來清除病原體感染[26]。此外,有研究發(fā)現(xiàn),受感染的巨噬細(xì)胞在感染2 h 后會(huì)產(chǎn)生CD63 陽性和CD9 陽性的外泌體,并且通過Toll 樣受體4 (tolllike receptor 4,TLR4)依賴性觸發(fā)來自幼稚巨噬細(xì)胞和樹突狀細(xì)胞的腫瘤壞死因子α(tumor necrosis factor α,TNF-α),同時(shí)也刺激 RANTES、IL-1ra、MIP-2、CXCL1、MCP-1、sICAM-1、GM-CSF 和 G-CSF 等細(xì)胞因子的分泌。Hui 等[27]表明,促炎外泌體是在鼠傷寒沙門氏菌感染巨噬細(xì)胞的早期形成的,它們可用于將物質(zhì)轉(zhuǎn)移到幼稚巨噬細(xì)胞,導(dǎo)致其激活參與免疫反應(yīng)。近年來,越來越多的研究正向細(xì)胞源性外泌體的治療性作用開展。Jia 等[28]研究發(fā)現(xiàn)在銅綠假單胞菌(Pseudomonasaeruginosa,PA)肺部感染的小鼠模型中,NK 細(xì)胞源性外泌體通過促進(jìn)M1 巨噬細(xì)胞極化來改善PA 誘導(dǎo)的肺損傷。他們推測(cè),在肺PA 感染的早期,M1 極化促進(jìn)巨噬細(xì)胞對(duì)銅綠假單胞菌的吞噬作用。同樣,骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞來源的外泌體也可治療男性衣原體感染性[29]。

外泌體除了直接發(fā)揮的抗菌作用之外,也可作為藥物載體用于遞送抗生素等靶向治療細(xì)菌感染。例如,在如今濫用抗生素的大背景下,細(xì)胞內(nèi)耐甲氧西林金黃色葡萄球菌(methicillin-resistantStaphylococcusaureus,MRSA)極難被普通抗生素清除,導(dǎo)致感染復(fù)發(fā)和耐藥情況的發(fā)生。Yang 等[30]研究提出,利用甘露糖化的外泌體將溶葡萄球菌素和萬古霉素遞送至細(xì)菌感染部位以根除細(xì)胞內(nèi) MRSA。其中,甘露糖化的外泌體作為藥物載體可以優(yōu)先被巨噬細(xì)胞吸收,以至藥物在細(xì)菌感染部位積累,另一方面,溶葡萄球菌素針對(duì)葡萄球菌屬,沒有毒性,聯(lián)合殺菌策略將減少萬古霉素的劑量,從而降低毒性和耐藥性,增強(qiáng)細(xì)胞內(nèi)細(xì)菌的根除能力。在外泌體上裝載抗菌化合物靶向遞送的方法為對(duì)抵抗MRSA 等侵襲性強(qiáng)且耐藥性廣的胞內(nèi)細(xì)菌感染開辟了一條新的治療途徑,但在聯(lián)合用藥策略的使用以及藥物吸收情況等方面還有待研究。

無論是外泌體本身發(fā)揮的抗菌作用,還是運(yùn)載物質(zhì)靶向抗菌,其機(jī)制都還未得到更加深入的闡述,在未來的研究中,更多的科學(xué)研究應(yīng)該注重于殺菌機(jī)制的提出,為臨床提供可靠的治療思路。

3 外泌體的抗真菌作用

外泌體等細(xì)胞外囊泡已逐漸成為殺死真菌的一種武器。Andriantsitohaina 等[31]和 Reales-Calderón 等[32]研究表明,無論是來自念珠菌感染的還是來自未感染的THP1 巨噬細(xì)胞衍生的外泌體,都對(duì)其他THP1 分化的巨噬細(xì)胞具有類似的效應(yīng)功能,即激活ERK 和p38 激酶途徑,并增加促炎細(xì)胞因子的分泌和念珠菌酸活性;而在THP1 非分化的單核細(xì)胞中,只有來自感染巨噬細(xì)胞的外泌體顯著增加了TNF-α 的分泌,這對(duì)小鼠和人類巨噬細(xì)胞白色念珠菌感染控制起重要作用。此外,一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)新生隱球菌感染的巨噬細(xì)胞也能產(chǎn)生外泌體,增強(qiáng)感染隱球菌的小鼠的炎癥反應(yīng),有著較高的殺菌生物學(xué)效應(yīng)[33]。除了巨噬細(xì)胞外,多形核粒細(xì)胞(polymorphonuclears,PMN)產(chǎn)生的細(xì)胞外囊泡對(duì)于控制真菌感染也是至關(guān)重要的。人類致病性真菌煙曲霉觸發(fā)PMN 釋放一組獨(dú)特的抗真菌外泌體,通過蛋白質(zhì)組分析表明這些外泌體富含抗菌蛋白,能夠與真菌結(jié)合,限制生長(zhǎng),并通過輸送抗真菌藥物引起細(xì)胞損傷,從而起到殺菌作用[34]。

真菌產(chǎn)生的外泌體也能刺激免疫反應(yīng),發(fā)揮殺菌作用。Brauer 等[35]研究發(fā)現(xiàn)曲霉菌能夠產(chǎn)生外泌體,這些外泌體具有免疫原性,能夠刺激巨噬細(xì)胞的殺菌功能并且引起 M1 極化,并對(duì)黃曲霉感染具有保護(hù)作用。他們認(rèn)為這可能是治療由曲霉菌引起的曲霉病的治療靶點(diǎn)。外泌體能夠抵抗真菌感染這一發(fā)現(xiàn)為臨床提供了一個(gè)有效的,以前被忽視的抗真菌防御的方法,但其應(yīng)用廣泛性仍需進(jìn)一步研究。

4 結(jié)語與展望

外泌體由各種類型細(xì)胞分泌,包括間充質(zhì)干細(xì)胞、NK 細(xì)胞和T 細(xì)胞、中性粒細(xì)胞以及已感染巨噬細(xì)胞;可以轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白質(zhì)、脂質(zhì)、miRNA、mRNA 或藥物,在細(xì)胞間信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)中發(fā)揮著重要作用。外泌體與各種疾病間的聯(lián)系越來越緊密,是目前研究的熱點(diǎn)之一。而有關(guān)外泌體的抗感染作用研究仍處在發(fā)展階段,如上所述,在感染性疾病中,外泌體可以引起促炎反應(yīng),能夠激活機(jī)體免疫系統(tǒng),增強(qiáng)免疫細(xì)胞的殺傷能力,有著較高的殺菌生物學(xué)效應(yīng),且能夠抑制病毒的復(fù)制和感染,但是具體作用機(jī)制仍然需要進(jìn)一步闡述。目前已知細(xì)胞來源的外泌體能通過表達(dá)CD4+、CD8+等表面分子,激活相應(yīng)的信號(hào)通路如AMPK/mTOR、pAMPK/AMPK 和ERK 和p38 激酶途徑,以及TNF-α 和IFN-β、IL-6、IL-8、IL-10、IFN-I 和 TNF-I 等細(xì)胞因子抑制細(xì)菌、病毒、真菌的感染,發(fā)揮殺傷作用(見圖1),除了現(xiàn)有研究表明的機(jī)制之外,其在其他易感染病毒或細(xì)菌如結(jié)核分枝桿菌感染等方面的作用機(jī)制仍需進(jìn)一步研究外泌體作為外分泌體,其最明顯的作用是靶向運(yùn)輸物質(zhì),繼而發(fā)揮抗感染作用,這也是未來研究外泌體在抗感染方面的重要著手點(diǎn)。但外泌體的富集、分離和儲(chǔ)存方法及如何提高外泌體的獲得量也是目前面臨的挑戰(zhàn)之一。此外,外泌體抗感染作用的相關(guān)機(jī)制、治療潛力以及遞送效率等方面都值得進(jìn)一步研究。

圖1 不同細(xì)胞來源外泌體作用Figure 1 Role of exosomes of different cell sources