外泌體在慢性阻塞性肺疾病發(fā)生發(fā)展中的作用研究進展

王志霞，楊 洋，劉 燕，張志強

(新鄉(xiāng)醫(yī)學院第一附屬醫(yī)院呼吸與危重癥醫(yī)學科，河南 衛(wèi)輝 453100)

外泌體可由多種細胞(包括上皮細胞、樹突狀細胞、肥大細胞、巨噬細胞等)分泌，是一種含有復雜 RNA 和蛋白質(zhì)的小膜泡(30～150 nm)，其廣泛存在于各種體液中，參與細胞和組織間的信息交流。慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive pulmonary disease，COPD)是一種以慢性炎癥和嚴重氣流阻塞為特征的進行性肺部疾病，是全球第四大死亡原因。因此，關(guān)于COPD的發(fā)病機制及治療靶點是學術(shù)界的研究熱點。有研究發(fā)現(xiàn)，慢性呼吸系統(tǒng)疾病的發(fā)病多與氣道及其周圍組織的非特異性炎癥有關(guān)[1]。且越來越多的證據(jù)表明，外泌體在COPD的發(fā)病機制中起重要作用?；诖?，本文就外泌體的結(jié)構(gòu)功能特點及其在COPD發(fā)生、發(fā)展過程中的作用機制進行了綜述。

1 外泌體的來源

細胞外囊泡是指從細胞膜上脫落或者由細胞分泌的雙層膜結(jié)構(gòu)的囊泡狀小體，其可由上皮細胞、樹突狀細胞、肥大細胞、巨噬細胞等多種細胞分泌，且天然存在于各種體液中，包括血液、唾液、尿液、腦脊液和乳汁。這些囊泡含有多種生物活性分子，其可參與細胞通訊、細胞遷移和腫瘤細胞生長等過程，因此，囊泡相關(guān)功能的研究成為了研究熱點，并有望在多種疾病的早期診斷中發(fā)揮作用[2]。細胞外囊泡主要由外泌體和微囊泡組成，外泌體通過攜載的蛋白質(zhì)、核酸、脂類等信號分子調(diào)控受體細胞的表型和功能，是細胞間通訊的重要媒介，參與了多種疾病的發(fā)生、發(fā)展過程，在疾病診斷和納米載藥領(lǐng)域具有重要的應用前景。

19世紀80年代中期，外泌體在大鼠和綿羊的網(wǎng)織紅細胞中被首次發(fā)現(xiàn)，但被當做是細胞代謝的廢物，很少受到關(guān)注。隨后的研究發(fā)現(xiàn)，其與腫瘤、免疫系統(tǒng)疾病、心血管疾病以及肺部疾病的發(fā)生、發(fā)展密切相關(guān)。2007年，VALADI等[3]首次證明，信使RNA(messenger RNA,mRNA)和微RNA(microRNA，miRNA)可以從人類或小鼠的肥大細胞中分泌，并被包裹在外泌體中，隨后轉(zhuǎn)移至其他肥大細胞中。在這項研究之后，關(guān)于外泌體參與細胞通訊的內(nèi)容被大量報道，其可通過將選定的物質(zhì)從供體轉(zhuǎn)移到受體細胞，從而參與肺部疾病發(fā)生、發(fā)展的各種信號通路的調(diào)節(jié)，包括炎癥和纖維化途徑。在生理條件下，外泌體在維持肺內(nèi)穩(wěn)態(tài)方面發(fā)揮重要作用。而當氣道損傷時，氣道上皮細胞釋放富含促炎和促纖維化的miRNAs的外泌體，參與肺部疾病的進展。外泌體可被分泌到各種生物體液中，如支氣管肺泡灌洗液(bronchoalveolar lavage fluid,BALF)、唾液、痰、血漿等[4-5]，并通過將其內(nèi)容物轉(zhuǎn)移至靶細胞來參與細胞間通訊[6]。在COPD中，支氣管上皮細胞、巨噬細胞和中性粒細胞等多種細胞均可通過分泌外泌體參與氣道重構(gòu)及肺氣腫的發(fā)生和發(fā)展[7-8]。

2 外泌體在COPD中的作用

COPD是一種慢性氣道炎癥性肺部疾病，其特征是不可逆的持續(xù)性氣流受限，是世界范圍內(nèi)造成高疾病負擔和高死亡率的主要疾病。據(jù)估計，目前全世界有3億多人受到COPD的影響，2020年全球6 800萬死亡人中，約470萬人死于該疾病[9-10]。COPD的病理特征是肺泡結(jié)構(gòu)破壞形成肺氣腫和小氣道的重塑及狹窄，目前雖然對COPD發(fā)病的幾個重要機制已經(jīng)進行了研究，但確切的機制尚不清楚。近年來在治療COPD方面有了新的進展，如長效M受體拮抗劑和長效β2受體激動劑等已顯示出一定的臨床療效。由于對COPD分子水平機制和生物學標志物的研究不充分，因此，需要開展更多的研究以了解與COPD急性加重和疾病進展有關(guān)的細胞和分子過程，提高對COPD發(fā)病機制的認識，尋找新的治療靶點[11]。

外泌體能夠與受體細胞交換信息，利用其生物活性物質(zhì)(DNA、RNA、miRNA、蛋白質(zhì)和其他代謝物)影響疾病的病理生理過程，是細胞間通信的關(guān)鍵介質(zhì)。目前，外泌體在COPD慢性炎癥、氣道重塑等發(fā)病機制中發(fā)揮的功能已得到了一定研究[12-13]。且有研究表明，間充質(zhì)干細胞(mesenchymal stem cell,MSC)和MSC來源的外泌體在許多炎癥和損傷動物模型中顯示出治療作用[14]。外泌體可能成為COPD潛在生物標志物和治療靶點，因此，進一步探討外泌體在COPD發(fā)病機制中的潛在作用可能為疾病的診斷及治療提供新的方向[15]。

2.1 外泌體在COPD呼吸道上皮炎癥反應中的調(diào)節(jié)功能肺上皮細胞(如支氣管上皮細胞、肺泡上皮細胞和肺成纖維細胞)維持著呼吸道結(jié)構(gòu)的完整和肺內(nèi)穩(wěn)態(tài)性，支氣管上皮細胞與肺微環(huán)境中廣泛存在的細胞間通訊對于維持肺的正常功能是必不可少的，而支氣管上皮細胞分泌的外泌體是通過調(diào)節(jié)炎癥和纖維化過程來維持肺內(nèi)穩(wěn)態(tài)的主要因素。有研究顯示，支氣管上皮細胞在香煙煙霧提取物(cigarette smoke extract,CSE)刺激后，支氣管上皮細胞來源的外泌體中miR-210的表達顯著增加，促進了氣道纖維化的形成[16]。來自支氣管上皮細胞的外泌體miR-21也與香煙煙霧(cigarette smoke,CS)刺激反應中的肌成纖維細胞分化有關(guān)，在吸煙者和COPD患者的血清中發(fā)現(xiàn)外泌體miR-21水平明顯升高，其可刺激氣道炎癥因子如腫瘤壞死因子-α、白細胞介素(interleukin，IL)-6、IL-1β等的分泌，從而刺激呼吸道慢性炎癥反應[17-18]。有研究發(fā)現(xiàn)，肺上皮細胞在CSE的誘導下產(chǎn)生富含半胱氨酸蛋白61(cysteine rich angiogenic inducer 61,CCN1)的外泌體，而 CCN1是CCN家族蛋白之一，其可通過多種信號傳導影響細胞的生存以及生長，參與細胞增殖、黏附、遷移、分化和凋亡等過程[19-20]。外泌體中的CCN1通過肺上皮細胞Wnt(wingless/int1)信號通路促進 IL-8分泌，從而募集更多炎癥細胞分泌炎癥介質(zhì)，加重COPD炎癥反應。DU等[21]研究表明，與從未吸煙的健康對照者相比，COPD患者外泌體中 miR-181c顯著下調(diào)，miR-181c的下調(diào)可能導致CCN1表達增加，進而促進COPD炎癥反應。因此，通過消除表達miR-210或 miR-181c的外泌體可能有助于改善氣道重塑和減輕肺部炎癥反應，這為COPD的精準治療提供了新的思路。以上研究均表明上皮細胞來源的外泌體在COPD發(fā)病機制中的氣道炎癥反應中起到關(guān)鍵調(diào)節(jié)作用。

2.2 外泌體在COPD上皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化(epithelial-mesenchymal transition,EMT)中的調(diào)節(jié)作用EMT是指上皮細胞到間質(zhì)細胞的轉(zhuǎn)換分化。EMT是一個可逆的生物學過程，上皮細胞通過失去細胞極性和鈣黏附素介導的細胞間黏附獲得遷移和侵襲能力，不僅在胚胎發(fā)育過程、組織愈合、癌癥中起著關(guān)鍵的作用，而且在COPD、肺纖維化等多種肺部疾病的發(fā)病過程中也發(fā)揮重要作用[22]。外泌體可通過調(diào)節(jié)EMT過程，從而在COPD的發(fā)病過程中起到重要作用。HE等[13]研究顯示，支氣管內(nèi)皮細胞經(jīng)CSE處理后，支氣管內(nèi)皮細胞可以產(chǎn)生含有較少miR-21的外泌體，該外泌體可減輕M2巨噬細胞極化，間接調(diào)節(jié)COPD發(fā)病機制中的EMT過程。FUJITA等[16]還觀察到CS可誘導支氣管內(nèi)皮細胞及其分泌的外泌體中miR-210的表達，證明miR-210可以通過支氣管上皮細胞來源的外泌體轉(zhuǎn)移到肺成纖維細胞中，并通過沉默關(guān)鍵的自噬相關(guān)因子7(autophagy related protein 7,ATG7)來誘導肌成纖維細胞分化，而ATG7是一種泛素化激活酶，對自噬至關(guān)重要，可以調(diào)節(jié)內(nèi)皮細胞向間充質(zhì)細胞的轉(zhuǎn)變。同時CS誘導支氣管內(nèi)皮細胞來源外泌體的組成發(fā)生改變，有趣的是該外泌體miR-210是肌成纖維細胞分化的旁分泌自噬介質(zhì)。SUNDAR等[23]研究發(fā)現(xiàn)，吸煙的COPD患者血漿中miR-22-3p、miR-151a-5p、miR-151b、miR-22-3p、miR-320b、miR-99a-5p、miR-320d 表達水平明顯升高，進一步研究發(fā)現(xiàn)，外泌體中的miRNAs通過調(diào)節(jié)EMT過程而參與COPD的發(fā)生、發(fā)展過程。綜上所述，CS可誘導外泌體組成的改變，新變化的外泌體通過自噬等過程參與了COPD疾病進展中EMT的過程。有研究證實，巨噬細胞來源外泌體可促進腫瘤壞死因子-α、IL-6、IL-1β等炎癥因子的表達[24-25]，促使EMT，進而加劇氣道受損程度，延長病程。因此，通過干預巨噬細胞來源外泌體延緩EMT過程有望為慢性呼吸系統(tǒng)疾病的治療提供新方向。但目前針對EMT的研究熱點主要集中在其與腫瘤的關(guān)系，有關(guān)EMT在COPD中具體作用機制仍需進一步研究來探討。

2.3 外泌體在COPD炎癥和肺組織損傷中的調(diào)節(jié)作用巨噬細胞是抵御疾病的第一道屏障，是先天性免疫、獲得性免疫、血管生成和新陳代謝的重要調(diào)節(jié)物。巨噬細胞在COPD的發(fā)病機制中同樣起著關(guān)鍵作用，被認為是炎癥反應的主要效應細胞。COPD患者氣道、肺實質(zhì)、BALF和痰液中巨噬細胞數(shù)量顯著增加，并與COPD病情嚴重程度相關(guān)。巨噬細胞可以分泌一系列促炎和抗炎介質(zhì)，如細胞因子、蛋白酶和蛋白酶抑制劑以及活性氧，這些物質(zhì)不僅可以誘導炎癥和肺氣腫，還可以促進傷口修復、參與肺組織損傷修復，在COPD的發(fā)病過程中起重要作用[26]。巨噬細胞是肺內(nèi)產(chǎn)生外泌體的主要細胞，其在維持體內(nèi)平衡和產(chǎn)生免疫細胞方面起重要作用[27]。巨噬細胞來源的外泌體可以通過轉(zhuǎn)移miR-223誘導幼稚的單核細胞受體細胞向巨噬細胞分化，miR-223是髓系細胞增殖和分化的重要調(diào)節(jié)因子[28]。CORDAZZO等[29]研究表明，CSE可通過激活單核細胞分泌促炎介質(zhì)(包括IL-8、細胞間黏附分子-1和單核細胞趨化蛋白-1)增加巨噬細胞來源外泌體的釋放。BOURDONNAY等[30]研究發(fā)現(xiàn)，肺泡巨噬細胞來源的外泌體能夠通過細胞因子信號轉(zhuǎn)導抑制物(suppressor of cytokine signaling,SOCS-1)和SOCS-3在肺泡上皮細胞中的轉(zhuǎn)移，以及信號轉(zhuǎn)導和轉(zhuǎn)錄激活因子的激活來調(diào)控炎癥信號。ISMAIL等[28]研究發(fā)現(xiàn)，來自肺泡巨噬細胞的外泌體能夠通過將miR-223轉(zhuǎn)移到包括肺上皮細胞和單核細胞在內(nèi)的各種呼吸系統(tǒng)細胞來調(diào)節(jié)氣道炎癥。以上研究說明，巨噬細胞釋放的外泌體參與了肺部炎癥和肺組織損傷的調(diào)節(jié)，在COPD的發(fā)病過程中起重要作用。

3 外泌體是COPD潛在生物標志物

生物標志物可以反映疾病活動性和疾病的臨床特征，用于診斷疾病、監(jiān)測疾病進展和治療反應[31-32]。近年來，隨著對外泌體研究的逐漸深入發(fā)現(xiàn)，外泌體能反映母細胞的生理狀態(tài)和微環(huán)境，其磷脂雙層結(jié)構(gòu)在循環(huán)體液中高度穩(wěn)定，并具有包裹一系列疾病相關(guān)生物分子的能力，使其成為極具潛力的新的疾病生物標志物。越來越多的研究表明，外泌體可能在呼吸系統(tǒng)疾病如COPD的發(fā)病機制中發(fā)揮重要作用，因此，外泌體有望成為診斷COPD的生物標志物和治療靶點。TAN等[33]檢測了慢性阻塞性肺疾病急性加重期(acute exacerbation chronic obstructive pulmonary disease,AECOPD)患者和慢性阻塞性肺疾病穩(wěn)定期(stable chronic obstructive pulmonary disease,sCOPD)患者血漿中外泌體的表達水平，并與不吸煙的健康對照組患者進行比較，結(jié)果顯示，AECOPD患者和sCOPD患者血漿中外泌體水平均高于健康對照組，且外泌體的表達水平與血漿中超敏C反應蛋白、可溶性腫瘤壞死因子受體1和 IL-6水平呈正相關(guān)，提示外泌體參與了COPD急性加重期的炎癥過程。隨著對外泌體研究的深入，學者們發(fā)現(xiàn)了細胞間通訊過程中更為精確的分子機制，即miRNAs，miRNAs是一種在轉(zhuǎn)錄后調(diào)節(jié)基因表達的非編碼短小RNA[34]。與循環(huán)中miRNAs相比，外泌體miRNAs具有高度穩(wěn)定性和富集性，其可將miRNAs釋放到鄰近和遠端細胞中并發(fā)揮生物學效應[35]。且外泌體的磷脂雙分子層結(jié)構(gòu)可保護miRNAs不被血漿核糖核酸酶降解，使它們能夠在細胞外空間穩(wěn)定表達，有利于標本的采集和儲存[36]。CSE等刺激物不僅可以影響外泌體的水平，還可以改變外泌體中特異性miRNAs的表達。HéLIOT等[37]研究發(fā)現(xiàn)，吸煙者和不吸煙者BALF中的miRNA表達有差異。SERBAN等[38]報道，CSE可導致小鼠血漿和原代肺微血管內(nèi)皮細胞上清液中外泌體分泌miR-191、miR-126、miR-125a和let-7d的表達增加，這些外泌體miRNAs可通過調(diào)控巨噬細胞功能來影響COPD的進展。COPD患者外泌體中特有的miRNAs可能成為診斷COPD的生物標志物，但由于血漿中miRNAs的動態(tài)變化，外泌體miRNAs的測量受一定影響[39]。因此，未來仍需進一步研究通過評估血漿miRNA和外泌體中miRNA的關(guān)系，為外泌體miRNA作為COPD生物標志物提供更有力的依據(jù)。

4 外泌體是治療COPD的新型藥物載體

外泌體在COPD發(fā)病機制中的作用使其顯示出了成為治療COPD新型藥物載體的可能。外泌體主要通過2種方式治療COPD：(1)清除外泌體內(nèi)與COPD疾病進展相關(guān)的活性物質(zhì)。COPD患者外泌體中特有的miRNAs可能成為診斷COPD潛在生物標志物，這些外泌體miRNAs可能通過調(diào)節(jié)其下游靶點參與COPD的治療。有研究提出，消除含有與COPD疾病進展相關(guān)的特定miRNAs的外泌體可能是治療COPD的一種潛在的治療方法[40]。FUJITA等[41]研究顯示，CS可誘導支氣管內(nèi)皮細胞及其分泌的外泌體中miR-210表達相對上調(diào)，而外泌體中的miR-210通過沉默關(guān)鍵的自噬相關(guān)因子ATG7促進肺成纖維細胞向肌成纖維細胞分化，進而引起COPD的氣道重塑。因此，以外泌體中的miR-210為靶點設(shè)計新藥物將可能改善COPD 患者氣道炎癥及纖維化的發(fā)展。(2)作為免疫調(diào)節(jié)劑。外泌體作為藥物載體最重要的是明確其介質(zhì)或細胞來源，有研究報道，MSCs具有免疫調(diào)節(jié)功能和再生功能，并進行了用其治療COPD的臨床前試驗[42-43]。有研究發(fā)現(xiàn)，MSC來源的外泌體似乎具有相同的功能[44-45]。這種功能被認為是外泌體將其內(nèi)容物，如miRNA和生長因子等活性物質(zhì)轉(zhuǎn)移到受損細胞產(chǎn)生的。另有研究顯示，MSCs來源的外泌體可以通過表達角質(zhì)細胞生成因子mRNA減緩急性肺損傷如肺水腫和肺部炎癥的相關(guān)癥狀[46]。盡管目前還無在COPD治療中使用上述2種治療靶點的報道，但隨著對外泌體的深入研究，以及其在循環(huán)中具有高度穩(wěn)定性及靶向性的特性，外泌體作為理想的藥物載體、免疫抑制劑等在疾病治療方面有著巨大的潛力，相關(guān)的研究成果將會逐步應用于臨床。

5 總結(jié)與展望

COPD作為一種發(fā)病率與病死率較高的呼吸系統(tǒng)疾病，其病因與發(fā)病機制尚未完全明確。而外泌體在人體中廣泛存在，可被多種細胞分泌，能夠與受體細胞交換信息，利用其生物活性物質(zhì)影響生理和病理條件，在細胞間通訊中起到重要作用。因此，外泌體成為了COPD發(fā)病機制和治療靶點的研究熱點，且外泌體在氣道炎癥以及肺組織損傷中的調(diào)節(jié)作用已經(jīng)得到了一定研究，本文詳細介紹了外泌體應用于COPD治療的方向以及可能的機制，綜上可知，外泌體有望為COPD治療提供新的潛力靶點。但外泌體作為COPD的生物標志物和靶向治療尚處于初始階段，仍有許多難題如外泌體的提純以及精確檢測問題、外泌體在COPD中具體的信號通路以及轉(zhuǎn)導機制是什么、外泌體如何作為新型藥物載體實現(xiàn)精準靶向治療等亟待解決。