間充質干細胞源外泌體在神經系統(tǒng)疾病中的研究進展

李蘇亞，奚廣軍，李在望，張劍平

間充質干細胞（mesenchymal stem cells，MSCs）是一類具有多向分化潛能、免疫調控、組織損傷修復、神經保護等多種功能的多能干細胞，近來被廣泛應用于神經、心血管等多系統(tǒng)疾病的治療研究中[1]。研究發(fā)現(xiàn)，MSCs可以保護神經元，促進神經細胞軸突生長，有效改善受損的神經系統(tǒng)功能。外泌體是幾乎所有細胞均可分泌的一種脂質雙分子層膜囊泡，能夠遠距離傳遞源自母細胞的生物信息，影響靶細胞和組織的病理生理過程。研究表明外泌體很可能是MSCs 在神經系統(tǒng)疾病中發(fā)揮治療作用的關鍵[1,2]。

1 MSCs源外泌體概述

外泌體是一群直徑為40～100 nm 的外分泌囊泡，廣泛存于體內幾乎所有細胞及血液、尿液、腦脊液等多種體液中[3]。其腔內充滿各種細胞蛋白、核酸（mRNA、miRNA等）、脂質和可溶性因子，可直接與靶細胞的質膜融合，也可以被靶細胞內吞，進而將信息傳遞給鄰近細胞及遠端組織，并調節(jié)生物體內病理、生理過程，如神經元通信、抗原呈遞、免疫反應、器官發(fā)育和生殖過程等[4,5]。

MSCs是在臨床實踐中應用于免疫調節(jié)和缺血組織修復的幾種干細胞之一。研究發(fā)現(xiàn)，在急性心肌梗死的小鼠模型中，直接注射人造MSCs 可促進血管生成并減輕左心室重塑[6]；在癲癇持續(xù)狀態(tài)的大鼠模型中，尾靜脈注入MSCs 可抑制癲癇的發(fā)生并維持認知功能[7]。而MSCs分泌的外泌體，具備與母體干細胞相似的生物學功能。研究證實，MSCs源外泌體能夠降低炎性因子干擾素-γ（interferon-γ，IFN-γ）和腫瘤壞死因子（tumor necrosis factor，TNF）-α的表達以減輕炎癥反應[8]；也可在特殊干預后有效降低阿爾茨海默?。ˋlzheimer’s disease，AD）患者腦中β淀粉蛋白（amyloid β，Aβ）的水平[9]。而其脂質雙分子層結構可以保護內含物免受降解酶或化學物質的侵蝕，并可有效通過血腦屏障實現(xiàn)高效治療[10]。受此啟發(fā)，越來越多的研究注重于MSCs源外泌體在疾病治療方面的潛在功能。

2 MSCs源外泌體在神經系統(tǒng)疾病中的應用

2.1 阿爾茨海默病（AD）

AD 是以進行性認知功能障礙和行為損害為特征的中樞神經系統(tǒng)退行性病變，是老年期最常見的癡呆類型，目前尚未開發(fā)出能有效逆轉病程的藥物。AD 的主要病因之一是腦中Aβ的聚集。Aβ是由淀粉樣前體蛋白經β-和γ-分泌酶的蛋白水解作用而產生[11]。利用該點，研究人員通過基因修飾MSCs，使其分泌富含治療因子的外泌體（例如可靶向作用β-和γ-分泌酶的SiRNA），進而降低腦內Aβ的水平[9]。此外，既往實驗發(fā)現(xiàn)對MSCs進行缺氧預處理可以增強其抗凋亡能力，并促進它的增殖和神經分化[12]。在此基礎上，Cui等[13]將經過低氧預處理的MSCs源外泌體通過尾靜脈注入AD模型小鼠體內，發(fā)現(xiàn)這些外泌體能夠有效地減少小鼠腦內Aβ的積累、增加突觸蛋白的表達，下調炎性因子TNF-α和白細胞介素（interleukin，IL）-1b的水平，同時上調抗炎因子IL-4和IL-10的表達，進而改善小鼠的學習和記憶功能?？紤]到全身給藥后MSCs源外泌體在腦中的含量十分有限，Cui等[14]在最新的研究中利用中樞神經系統(tǒng)特異性狂犬病病毒糖蛋白（rabies virus glycoprotein，RVG）修飾MSCs 源外泌體（RVG 可與乙酰膽堿受體特異性地相互作用，靶向作用于神經細胞[15]），發(fā)現(xiàn)RVG標記的MSCs源外泌體在靜脈給藥后對大腦皮質和海馬顯示出更好的靶向性，可明顯降低顱內Aβ水平。由此看來，MSCs 源外泌體能夠針對AD的主要病理機制起到有效的治療作用。

2.2 腦梗死

腦梗死是指因腦部血液循環(huán)障礙，缺血、缺氧所致的局限性腦組織的缺血性壞死或軟化。一般來說，恢復最快、預后較好的治療方法是在疾病早期進行溶栓或取栓術以及時恢復血流。但很多病例并不能在溶栓時間窗內得到有效治療。Xin H 等[16]建立大腦中動脈閉塞型（middle cerebral artery occlusion，MCAO）腦梗死大鼠模型，并用MSCs源外泌體進行干預，發(fā)現(xiàn)與對照組相比，MSCs源外泌體可顯著促進MCAO 大鼠神經血管的重塑和功能恢復。進一步探討其中機制發(fā)現(xiàn)MSCs 可以通過外泌體轉移microRNA 133b（miR-133b）來調節(jié)神經軸突的生長。已有研究證實，miR-133b 在神經元的分化和神經細胞軸突的生長中發(fā)揮著重要作用[17]。研究者們通過分析對比正常大鼠腦和MCAO 大鼠同側腦的總RNA 發(fā)現(xiàn)：MCAO 大鼠同側大腦miR-133b 顯著降低。將MCAO大鼠的腦組織放入含有MSCs的培養(yǎng)基中培養(yǎng)，72 h后發(fā)現(xiàn)MCAO大鼠的腦組織中miR-133b顯著升高，且升高的miR-133b來源于MSCs分泌的外泌體[18]。此外，該團隊通過質粒轉染MSCs 使之分泌富含miR-17-92 的外泌體（miR-17-92 可通過調節(jié)抑癌基因PTEN的表達來促進神經元的軸突生長[19]），對比發(fā)現(xiàn)干預后的MSCs源外泌體治療作用明顯加強[20]。以上研究表明，MSCs源外泌體具有治療腦卒中的潛力，而通過對外泌體的進一步干預修飾，治療作用可顯著增強。

2.3 創(chuàng)傷性腦損傷

創(chuàng)傷性腦損傷（traumatic brain injury，TBI）是導致中青年人群殘疾和死亡的重要原因，其發(fā)病機制主要是原發(fā)性和繼發(fā)性損傷導致的暫時或永久性的神經功能缺損。原發(fā)性損傷破壞血腦屏障，損傷神經元和膠質細胞，引起局部炎癥，造成繼發(fā)性損傷[21]。由于原發(fā)性損傷往往不可逆，TBI 的治療主要針對繼發(fā)性損傷展開。Kota 等[8]在向TBI 大鼠模型注射MSCs 后觀察到大鼠腦內促炎因子IFN-γ和TNF-α的表達量減少了50%，同時血腦屏障通透性顯著降低。Ni等[22]最新的研究顯示MSCs源外泌體可分別通過下調誘導型一氧化氮合酶和上調CD206、精氨酸酶-1 的水平，抑制促炎細胞因子TNF-α和IL-1β的表達，增加抗凋亡的B 細胞性淋巴瘤-2（BCL-2）的表達，調節(jié)免疫反應。有實驗進一步比較了MSCs和MSCs源外泌體對TBI的治療效果，發(fā)現(xiàn)與能分泌等量外泌體的MSCs 相比，直接注射MSCs 源外泌體的抗炎效果更佳，可能原因在于MSCs 靜脈注射后大部分進入了肺部[23]。這一發(fā)現(xiàn)提示MSCs衍生的外泌體免疫原性較低，更具穩(wěn)定性、高效性，可替代全細胞治療TBI。

2.4 膠質母細胞瘤

膠質母細胞瘤（glioblastoma，GBM）是最常見的中樞神經系統(tǒng)惡性腫瘤，目前的治療方案非常有限，患者的中位生存期僅15 個月。研究發(fā)現(xiàn)，GBM 通過釋放一些趨化因子和生長因子（包括血管內皮生長因子VEGF、促炎因子IL-8、血小板衍生生長因子PDGF-BB 和神經營養(yǎng)因子NT-3 等）介導MSCs 對GBM的趨向性，進而MSCs可以作為藥物載體定向作用于GBM甚至是發(fā)揮免疫調節(jié)作用，有效改變GBM的免疫微環(huán)境[24,25]。Amir等[26]篩選出miR-4731 作為腫瘤抑制因子，特異性修飾MSCs 后將其與GBM 癌細胞共培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)miR-4731-MSCs 可誘導癌細胞凋亡。Malte 等[27]則基因修飾MSCs，使其高表達促炎細胞因子IL-12 和IL-7，誘導GBM 小鼠模型產生高效的抗腫瘤T 細胞應答，提高了實驗鼠的免疫力并延長了總生存期。但也有大量的證據(jù)表明，在腫瘤微環(huán)境中，MSCs可通過外泌體與癌細胞相互作用，分泌大量細胞因子和生長因子，促進癌細胞的存活、生長、轉移擴散和免疫逃逸[28,29]。Pavon LF 等[29]將標記后的MSCs通過尾靜脈注射到GBM 模型鼠體內，發(fā)現(xiàn)其能夠跨越血腦屏障并遷移到腫瘤區(qū)域，而MSCs浸潤腫瘤后，又可通過外泌體釋放細胞因子TGFB1刺激GBM細胞增殖（TGFB1是一種轉化生長因子，能夠促進腫瘤細胞的增殖和遷移[30]）。另外，除了考慮到MSCs與GBM 之間的聯(lián)系，GBM細胞本身的間質化，也是GBM難治性的重要原因之一。有報道稱，GBM的難治性部分歸因于具有治療抗性的膠質瘤干細胞（glioma stem cells，GSCs）。其不僅與GBM 的形成和進展有關，也增強了GBM 對常規(guī)化療和放射性治療的耐藥性[31]。來自MD 安德森癌癥中心的研究團隊發(fā)現(xiàn)[32]，GBM 中存在有類似于MSCs 的基質細胞，即膠質瘤相關的MSCs（GA-hMSCs）。在體內外實驗中，GA-hMSCs 通過分泌IL-6促進GSCs的增殖和自我更新，增強GSCs的致瘤性和間質特性[33]。此外，GA-hMSCs 分泌的外泌體中含有大量的miR-1587，可下調GSCs 中抑癌因子NCOR1 的表達，顯著增加了GSCs的增殖和克隆形成能力[32,34]。未來的治療方案，通過基因修飾等方法，GA-hMSCs也可作為一種新的治療靶點。

3 結語與展望

截至目前，國內外大量研究結果證實，MSCs源外泌體在神經系統(tǒng)疾病的治療方面有著廣闊的應用前景。MSCs源外泌體能夠減輕炎癥反應，促進神經損傷的修復以及功能的重建，并且與MSCs 本身相比，外泌體的安全性更高、性質更穩(wěn)定、作用更具靶向性，在疾病治療方面有著更大的潛力。未來我們需要深入探討MSCs 源外泌體調節(jié)神經系統(tǒng)疾病的免疫反應、促進神經軸突生長的具體機制，排除可能存在的負面作用，對MSCs源外泌體進行更精準的干預，以提高治療的安全性、高效性，進而早日實現(xiàn)有效的臨床應用。