外泌體中miRNA與糖尿病發(fā)生發(fā)展關(guān)系研究進(jìn)展

趙冬冬,王晶晶,薛 可,李 晨,林樹梅*

(1.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科學(xué)與醫(yī)學(xué)學(xué)院，遼寧沈陽 110866；2.阜新高等?？茖W(xué)校農(nóng)牧系，遼寧阜新 123000)

目前，全世界約有4.25億糖尿病患者[1]。糖尿病是一種慢性疾病，是由于胰島素缺乏而導(dǎo)致的血糖異常升高[2]。持續(xù)的高血糖會誘導(dǎo)糖尿病的發(fā)生，從而降低了患者的生活質(zhì)量，給全球的衛(wèi)生系統(tǒng)帶來了相當(dāng)大的負(fù)擔(dān)[3]。2型糖尿病(Diabetes mellitus type 2,T2DM)是糖尿病中最為常見的類型，大約占90%左右，其特點(diǎn)是胰島素缺乏的同時(shí)，伴有胰島素作用靶組織出現(xiàn)不同程度的胰島素抵抗，而且大多患者有肥胖癥狀。除此以外還有其他類型的糖尿病，比如由于β細(xì)胞的自身免疫破壞導(dǎo)致的胰島素絕對缺乏形成的1型糖尿病(Diabetes mellitus type 1,T1DM)、由于β細(xì)胞關(guān)鍵的功能基因發(fā)生突變導(dǎo)致的年輕的成年發(fā)病型糖尿病(Maturity-onset diabetes of the young,MODY),以及成人隱匿性自身免疫性糖尿病(Latent autoimmune diabetes in adults,LADA)等[4]。目前治療糖尿病藥物很難保證血糖的穩(wěn)態(tài)，血糖的波動導(dǎo)致并發(fā)癥的控制并不理想。因此，提供一種易于檢測的生物標(biāo)志物，盡早的發(fā)現(xiàn)血糖的異常波動，有效預(yù)防危及生命的并發(fā)癥的發(fā)生發(fā)展十分重要。近年來，外泌體(exosomes,Exos)不僅被認(rèn)為是代謝性疾病的生物標(biāo)志物，而且與疾病的發(fā)病的病因有關(guān)[5]。因此，有關(guān)糖尿病前期患者外泌體相關(guān)研究可能會幫助醫(yī)學(xué)工作者識別出具有患糖尿病風(fēng)險(xiǎn)的病人，并且可以提供患者發(fā)病原因的信息。來源于糖尿病患者的外泌體中的miRNA還可以監(jiān)測病情的發(fā)展情況，使人類對于糖尿病有更加深入的了解。近幾年，外泌體中的miRNA在糖尿病中作用的研究已經(jīng)成為熱點(diǎn)，這可能會為治療糖尿病開發(fā)出新的治療藥物或是藥物的運(yùn)輸載體。

1 外泌體概述

外泌體是一種雙層膜分泌型的細(xì)胞器，直徑約在30 nm～200 nm之間，與細(xì)胞具有相同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其包含了蛋白質(zhì)、脂質(zhì)以及不同種類的核酸，包括信使RNA(messenger RNA,mRNA)、微小RNA(microRNA,miRNA)和其他非編碼RNA(non-coding RNA,ncRNA)[6]。外泌體以囊泡運(yùn)輸形式進(jìn)行細(xì)胞間信息溝通，協(xié)調(diào)細(xì)胞間的功能，從而在人類健康和疾病的許多方面發(fā)揮著重要作用，包括發(fā)育、免疫、組織動態(tài)平衡、癌癥和神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病等，未來外泌體很可能會成為多種疾病模型的治療物[7]。外泌體存在表面蛋白質(zhì)，可以通過內(nèi)吞作用以配體-受體的方式與受體細(xì)胞相互作用，從而將物質(zhì)從一個(gè)細(xì)胞運(yùn)送到另一個(gè)細(xì)胞[8]。例如，骨形態(tài)發(fā)生蛋白(bone morphogenetic protein,BMP)、轉(zhuǎn)化生長因子β(transforming growth factor-β,TGF-β)、腫瘤壞死因子(tumor necrosis factor,TNF)、TNF相關(guān)的凋亡誘導(dǎo)配體、第一凋亡信號配體(first apoptosis signal ligand,FAS)、細(xì)胞因子等[9]。外泌體表面還富含多種細(xì)胞外基質(zhì)蛋白(extracellular matrix,ECM)，這些蛋白在細(xì)胞間信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和轉(zhuǎn)運(yùn)物質(zhì)方面也起著重要的作用[10]。一些外泌體蛋白也可以直接與外泌體脂質(zhì)結(jié)合，通過蛋白質(zhì)的C1C2結(jié)構(gòu)域[11]與外泌體的磷脂酰絲氨酸(phosphatidylserine,PS)結(jié)合?？傊?，外泌體中的包含物通過多種方式與靶細(xì)胞發(fā)生相互作用，在多種疾病的發(fā)生發(fā)展中有著重要的意義[12]。

2 外泌體中的miRNA

miRNA是一種17 nt～24 nt小的內(nèi)源性的非編碼RNA，可以穩(wěn)定地存在于體液中，包括唾液、尿液，母乳和血液。miRNA在外泌體中的作用取得了越來越多的關(guān)注，通過循環(huán)囊泡傳送信息被認(rèn)為是細(xì)胞間通信的第三種方式，這是必不可少的作為細(xì)胞對細(xì)胞接觸依賴性信號傳導(dǎo)[13]。Guduric-fuchs等分析了各種細(xì)胞系中的miRNA表達(dá)水平及其各自的外泌體，并發(fā)現(xiàn)miRNA(例如miR-150、miR-142-3p和miR-451)的子集優(yōu)先進(jìn)入外泌體中[14]。此外，在不同的生理?xiàng)l件下，外泌體中miRNA表達(dá)水平改變。miR-320家族的成員廣泛分布于來自正常組織和腫瘤的Exox中[15]。近幾年發(fā)現(xiàn)存在于外泌體中的miRNA在疾病進(jìn)展中起重要作用，例如Let-7a、miR-1229、miR-1246、miR-150、miR-21、miR-223和miR-23a，可用作結(jié)腸直腸癌的診斷生物標(biāo)志物[16]。研究表明，miRNA可以被鄰近或遠(yuǎn)處的細(xì)胞吸收來調(diào)節(jié)受體細(xì)胞，促進(jìn)癌癥的轉(zhuǎn)移[6]。外泌體中miRNA還參與許多其他細(xì)胞生物學(xué)功能調(diào)控，包括細(xì)胞增殖、細(xì)胞分化、細(xì)胞遷移、疾病起始和疾病進(jìn)展[17]。

3 外泌體中miRNA與糖尿病

由于不同類型的糖尿病在臨床表現(xiàn)上相似，僅憑借血糖值等指標(biāo)來進(jìn)行診斷而不加以區(qū)分地治療，效果不盡理想，從而耽誤最佳治療時(shí)期。而且即使同一類型的糖尿病在不同患者之間可能也存在很大不同，而糖尿病確診通常用血糖高于一定閾值來進(jìn)行診斷，雖然簡單而且經(jīng)濟(jì)有效，但是不能為醫(yī)生提供潛在的病情進(jìn)展信息[2]。外泌體中miRNA作為一種新的生物標(biāo)志物，可以彌補(bǔ)這一不足。外泌體是在血液和其他液體中由不同細(xì)胞分泌的囊泡混合物，更加重要的是，外泌體中miRNA會隨著生物體的生理或病理?xiàng)l件而改變[18]。據(jù)報(bào)道，糖尿病患者血液中外泌體的數(shù)量增多，把糖尿病患者的外泌體注射到正常小鼠體內(nèi)時(shí)會導(dǎo)致血管功能發(fā)生障礙，表明糖尿病生物體中的外泌體成分發(fā)生了改變[19]。在外泌體的各種成分中，miRNA引起了研究者們更多的關(guān)注，在許多生物過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用[20]。相關(guān)研究表明，外泌體中miRNA在糖尿病的發(fā)生發(fā)展過程中成為了新的檢測指標(biāo)，可以作為治療的靶點(diǎn)和生物標(biāo)志物。由于在相對較小的樣本中就可以檢測到，目前為止大多數(shù)研究集中在miRNA圖譜上[21]。在嚙齒動物和人類模型的報(bào)告中，miRNA作為各種形式糖尿病的生物標(biāo)志物，葡萄糖耐量異常與miR-24、miR-30d、miR-34a、miR-126、miR-146和miR-148a有關(guān)、疾病發(fā)展與miR-122、miR-133、miR-210有關(guān)、β細(xì)胞損傷與miR-375有關(guān)、炎癥反應(yīng)與miR-21-5p有關(guān)，疾病發(fā)生時(shí)他們表達(dá)量都會增加[22]。如果外泌體中miR-126降低或者是miR-192和miR-193b增加，代表糖尿病前期的信號，可以對這類人群進(jìn)行預(yù)防性治療。也可以檢測糖尿病患者對于藥物治療后的反應(yīng)[23]。外泌體中miRNA對于糖尿病的發(fā)生發(fā)展十分重要，為預(yù)防和治療糖尿病提供新的方向。

3.1 外泌體中miRNA與1型糖尿病

T1DM是自身免疫性疾病，胰島β細(xì)胞與先天或獲得性免疫系統(tǒng)之間的復(fù)雜相互作用導(dǎo)致的胰島β細(xì)胞不可逆的破壞[24]。隨著研究的深入，近年來發(fā)現(xiàn)了外泌體與T1DM有著密切關(guān)系[25]。一方面，外泌體中攜帶活化的免疫分子如蛋白質(zhì)、脂質(zhì)，可以激活T細(xì)胞和B細(xì)胞，并誘導(dǎo)β細(xì)胞的凋亡，從而促進(jìn)T1DM的發(fā)生發(fā)展[26]。在T1DM患者的血清中發(fā)現(xiàn)miR-21-5p增加，經(jīng)過炎癥因子處理后的人胰島細(xì)胞會釋放出富含miR-21-5p的外泌體，因此miR-21-5p可能是T1DM的生物標(biāo)志物之一[27]。一項(xiàng)從T1DM患者體內(nèi)分離的外泌體的全球圖譜表明，在長期的T1DM患者中，miR-25-3p上調(diào)，miR-16-5p、miR-302d-3p、miR-378a、miR-570-3p、miR-574-5p和miR-579下調(diào)[28]。在STZ誘導(dǎo)的β細(xì)胞凋亡的T1DM小鼠中，骨髓細(xì)胞釋放的外泌體中富含miR-106b-5p和miR-222-3p，并且可以使胰島β細(xì)胞再生，更為重要的是靜脈注射人工的miR-106b-5p和miR-222-3p模擬物也可以促進(jìn)β細(xì)胞的增殖[29]。這些數(shù)據(jù)表明，外泌體中某些miRNA可以保護(hù)胰島β細(xì)胞，這可能是治療T1DM的新的靶點(diǎn)。

3.2 外泌體中miRNA與2型糖尿病

胰島素抵抗是T2DM的主要病理特征，肥胖通?？梢l(fā)脂肪組織的慢性炎癥，最終導(dǎo)致全身性胰島素抵抗。脂肪組織是一種動態(tài)的內(nèi)分泌器官，通過釋放多種激素來調(diào)節(jié)糖脂代謝，從而調(diào)節(jié)全身能量平衡[30]。脂肪組織是外泌體的重要來源，脂肪細(xì)胞來源的外泌體中miRNA會促進(jìn)單核細(xì)胞分化為巨噬細(xì)胞，巨噬細(xì)胞會干擾機(jī)體中脂肪細(xì)胞的胰島素信號傳遞，形成惡性循環(huán)，引發(fā)胰島素抵抗[31]。而且，脂肪細(xì)胞來源的外泌體中的miRNA還可以調(diào)節(jié)遠(yuǎn)距離組織(如肝臟)中的基因表達(dá)，從而參與胰島素抵抗的發(fā)生[32]。2019年研究者利用核酸適配體介導(dǎo)的納米復(fù)合物遞送系統(tǒng)下調(diào)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞源外泌體中miR-29b-3p的水平，可緩解老年小鼠的胰島素抵抗，過表達(dá)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞中的miR-29b-3p可誘導(dǎo)年輕小鼠的胰島素抵抗[33]。研究發(fā)現(xiàn)，從肥胖小鼠血漿中分離出的外泌體注射到對照組小鼠體內(nèi)，經(jīng)過4周后能夠引起葡萄糖耐量異常和血脂異常[34]。T2DM胰島β細(xì)胞的外泌體中miRNA可以轉(zhuǎn)移到鄰近的健康的β細(xì)胞，從而觸發(fā)細(xì)胞凋亡[35]。另一方面，外泌體中miRNA也很有希望作為T2DM的治療劑，研究表明，從棕櫚酸誘導(dǎo)的T2DM小鼠的股四頭肌中分離得到的外泌體，可以在體外促進(jìn)成肌細(xì)胞的復(fù)制和胰島β細(xì)胞的增殖，檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)這些外泌體中富含miR-16，這種miRNA是調(diào)控胰腺發(fā)育的關(guān)鍵因子[36]。外泌體中miRNA在胰島素敏感性、血糖穩(wěn)態(tài)和血管功能等方面均發(fā)揮著重要作用，并參與了T2DM的生理病理過程[37]。

4 小結(jié)

糖尿病的治療給世界各國和個(gè)人帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。要提高糖尿病患者的生活質(zhì)量，還需要應(yīng)對幾個(gè)挑戰(zhàn)。一方面，及早識別糖尿病高危人群可能是有利于實(shí)施預(yù)防性治療的一種方法，以延長健康狀態(tài)，延緩疾病的出現(xiàn)。另一方面，弄清糖尿病不同的臨床表現(xiàn)以及病理生理機(jī)制可以使人們能夠更好的了解糖尿病，而不僅僅是緩解糖尿病的癥狀。在過去的幾年里，外泌體中miRNA在生理和病理?xiàng)l件下被認(rèn)為是細(xì)胞間通訊的關(guān)鍵介質(zhì)，使人們對代謝功能障礙的機(jī)制有了更深入的了解，使科研工作者們對于疾病的治療方法取得了重要進(jìn)展。盡管對于外泌體中miRNA的研究已經(jīng)取得了許多積極的實(shí)用結(jié)果，但在將其應(yīng)用于臨床之前，仍有一些主要障礙存在。一方面是對于外泌體中miRNA的分離提取、表征、操作仍然存在一些問題。另一方面是除了預(yù)期的影響外，還會產(chǎn)生未知的、不可控制的潛在的有害影響，以及外泌體中miRNA的分子機(jī)制大部分還不甚清楚。應(yīng)該在避免不必要的影響的同時(shí)，很好地利用外泌體中的miRNA來治療疾病。