間充質(zhì)干細胞源性外泌體抑制創(chuàng)傷性腦損傷炎癥反應(yīng)的研究進展*

王文瑞，黃曉飛，孫田靜，劉思佳，胡權(quán)，高甜，喻安永

（遵義醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院 急診科，貴州 遵義 563000）

創(chuàng)傷性腦損傷（traumatic brain injury, TBI）亦稱顱腦損傷，是指由外傷引起的腦組織結(jié)構(gòu)性損傷和/或功能障礙[1]。TBI 按發(fā)病機制分為原發(fā)性腦損傷和繼發(fā)性腦損傷，其中原發(fā)性腦損傷是外力作用于腦組織后立即發(fā)生的損傷，不可逆轉(zhuǎn)，只能預(yù)防，而繼發(fā)性腦損傷是在原發(fā)性腦損傷基礎(chǔ)上進一步加重的腦組織損害，其嚴重程度與TBI 預(yù)后相關(guān)，因此如何通過治療減輕繼發(fā)性腦損傷顯得尤為重要[2]。TBI 后神經(jīng)炎癥反應(yīng)有助于清除壞死組織碎片，促進膠質(zhì)細胞分化及血管生成，有效修復(fù)神經(jīng)組織，但過度且持續(xù)的神經(jīng)炎癥反應(yīng)可增加血腦屏障通透性，加快腦水腫發(fā)生，誘導(dǎo)神經(jīng)細胞凋亡，為繼發(fā)性腦損傷惡化的重要機制之一[3]。有研究證實間充質(zhì)干細胞源性外泌體（mesenchymal stem cell-derived exosomes, MSC-Exo）可通過調(diào)控炎癥反應(yīng)使腦組織免受炎癥損傷和抗凋亡作用，從而抑制神經(jīng)細胞死亡[4]。MSC-Exo 有望成為新興的抑制TBI 神經(jīng)炎癥反應(yīng)的納米治療劑。

1 TBI后神經(jīng)炎癥反應(yīng)

神經(jīng)炎癥反應(yīng)是指發(fā)生在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的炎癥反應(yīng)，由腦細胞、中樞免疫細胞和血腦屏障破壞后進入中樞的外周免疫細胞共同參與。神經(jīng)炎癥反應(yīng)是一把雙刃劍，既可保護中樞神經(jīng)系統(tǒng)不受感染和損傷，清除細胞碎片，促進膠質(zhì)細胞分化、血管生成和神經(jīng)功能修復(fù)，也是腦外傷后繼發(fā)性損傷的重要部分[5]。TBI 后腦內(nèi)微環(huán)境發(fā)生變化，小膠質(zhì)細胞發(fā)生極化，轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌硇停渲蠱2 型小膠質(zhì)細胞可促進組織修復(fù)和重塑，促進抗炎因子的產(chǎn)生，增加吞噬活性，而M1 型小膠質(zhì)細胞增多可促進炎癥趨化因子、促炎因子、活性氧生成，導(dǎo)致細胞吞噬活性降低，并通過Notch信號通路增強炎癥反應(yīng)，使腦損傷病理結(jié)果惡化，同時誘導(dǎo)白細胞介素6（Interleukin 6, IL-6）的分泌，上調(diào)水通道蛋白4，促進腦水腫發(fā)生[6]。小膠質(zhì)細胞分泌的血紅素加氧酶-1 分解血紅素產(chǎn)生鐵、血紅素和一氧化碳，促進氧化應(yīng)激反應(yīng)，增加線粒體自由基數(shù)量以及抑制細胞呼吸，加重腦損傷及血腦屏障破壞[7]。腦損傷后星形膠質(zhì)細胞激活也可通過核因子κB （nuclear factor kappa-B，NF-κB）信號通路加重腦細胞腫脹[8]?；罨纳偻荒z質(zhì)細胞可通過分泌CXCL1-5 和CCL21 等趨化因子促進中性粒細胞等炎癥細胞聚集，加重炎癥損傷，同時釋放MMP-9，增加血腦屏障通透性，誘導(dǎo)巨噬細胞、中性粒細胞浸潤，通過釋放膠原酶、金屬蛋白酶、腫瘤壞死因子、促炎細胞因子等形成惡性循環(huán)，加重血腦屏障損傷及加速腦細胞死亡[9]。

2 MSC-Exo對神經(jīng)炎癥細胞及炎癥因子的抑制

外泌體是由多種細胞分泌的納米級囊泡，富含膽固醇和鞘凝脂，具有脂質(zhì)雙分子層結(jié)構(gòu)，特異性表達CD9、CD63、Alix 等表面分子，通過釋放蛋白質(zhì)、mRNA、microRNA DNA 片段等信號分子，構(gòu)成細胞間信息傳遞系統(tǒng)[10]。而來源于間充質(zhì)干細胞的MSC-Exo 最大程度保留了間充質(zhì)干細胞修復(fù)損傷組織、抑制炎癥、調(diào)節(jié)免疫的作用，可顯著促進神經(jīng)血管再生，改善行為和認知，與間充質(zhì)干細胞具有同等作用，同時體積更小、更易穿過血腦屏障，具有更低的免疫原性與更高的安全性，性質(zhì)穩(wěn)定，內(nèi)含物不易降解，可以靶向特定的器官及受損部位發(fā)揮作用[11]。

2.1 MSC-Exo對小膠質(zhì)細胞及炎癥因子的抑制

MSC-Exo 可通過影響Acadv1 等蛋白的表達、抑制NF-κB 信號通路和P38 絲裂原活化蛋白激酶信號通路，逆轉(zhuǎn)CysLT2R-ERK1/2 信號通路，減少小膠質(zhì)細胞向M1 型轉(zhuǎn)化，促進小膠質(zhì)細胞向M2 極化，減輕炎癥反應(yīng)[12]。同時外泌體還可釋放miR-223-3 抑制CysLT2R 的表達，通過miR-26b-5p 靶向CH25H 使TLR 通路失活來抑制小膠質(zhì)細胞的M1 型極化，抑制NLRP3 炎性體介導(dǎo)的炎癥和細胞凋亡[13-14]。其中富含miR-146a-5p 的MSC-Exos 可通過下調(diào)IRAK1 和NFAT5 分子的基因表達，抑制小膠質(zhì)細胞M1 極化相關(guān)的炎癥并減少神經(jīng)元凋亡[15]。MSC-Exo 釋放的內(nèi)含物miR-146a-5p 通過抑制IRAK1/TRAF6 信號通路抑制小膠質(zhì)細胞活化，并調(diào)節(jié)Wnt/β-catenin 和hedgehog 信號通路，減少腦組織炎癥細胞浸潤，減輕神經(jīng)炎癥、神經(jīng)細胞凋亡和氧化應(yīng)激狀態(tài)[11]。 BMSCs-exo 還可通過釋放microRNA-181c 抑制PTEN基因表達和NF-κB 信號通路，減輕神經(jīng)炎癥反應(yīng)[16]。此外MSC-Exo 還通過抑制補體mRNA的合成和釋放及抑制補體與小膠質(zhì)細胞結(jié)合，抑制激活的NF-κB 信號通路，發(fā)揮神經(jīng)保護作用[17]。

2.2 MSC-Exo對星形膠質(zhì)細胞及炎癥因子的抑制

間充質(zhì)干細胞可分泌TSG-6 蛋白抑制NF-κB信號通路，調(diào)節(jié)星形膠質(zhì)細胞活性，減輕血腦屏障通透性，同時Exo-siRNA 可通過抑制CTGF基因的表達，抑制炎癥反應(yīng)、減輕神經(jīng)細胞凋亡，減少星形膠質(zhì)細胞活化和膠質(zhì)瘢痕形成[18]。Nrf2-NFκB 信號通路參與調(diào)節(jié)星形膠質(zhì)細胞活化，IL-1 誘導(dǎo)的MSC-Exo 可通過Nrf-2 信號通路抑制脂多糖誘導(dǎo)的神經(jīng)炎癥反應(yīng)[19]。MSC-Exo 可被星形膠質(zhì)細胞內(nèi)化，并在體內(nèi)外減弱反應(yīng)性星形膠質(zhì)細胞增生和炎癥反應(yīng)，且miR-138-5p 可靶向LCN2，促進星形膠質(zhì)細胞增殖和抑制炎癥反應(yīng)，減輕神經(jīng)損傷[20]。此外miR-146a 可被星形膠質(zhì)細胞內(nèi)化，降低細胞內(nèi)NF-κB 水平，抑制星形膠質(zhì)細胞介導(dǎo)的炎癥[21]。MSC-Exo 還可通過抑制NFκB p65 的核轉(zhuǎn)位，發(fā)揮抗炎和神經(jīng)保護作用[22]。miR-146a 分泌上調(diào)可抑制受損的星形膠質(zhì)細胞介導(dǎo)的炎癥反應(yīng)，同時MSC-Exos 可通過miR-21 表達有效抑制創(chuàng)傷后神經(jīng)炎癥反應(yīng)，并抑制A1 型神經(jīng)毒性反應(yīng)性星形膠質(zhì)細胞的激活[23]。miR-133b 靶向星形膠質(zhì)細胞和向神經(jīng)元轉(zhuǎn)移，可調(diào)節(jié)基因表達，有利于神經(jīng)系統(tǒng)受損后的神經(jīng)突觸重塑和功能恢復(fù)[24]。

2.3 MSC-Exo對中性粒細胞及炎癥因子的抑制

有實驗證實MSC-Exo 可提高中性粒細胞的吞噬能力、促進活性氧產(chǎn)生，對中性粒細胞功能和壽命具有保護作用[25]。但同時MSC-Exo 可抑制中性粒細胞釋放IL-17 及補體激活，減少TNF-α、IL-1β、核因子κappa B、IL-18、MMP-9、中性粒細胞明膠酶相關(guān)脂質(zhì)運載蛋白的表達，減輕中性粒細胞的浸潤，增加其吞噬能力，減輕神經(jīng)系統(tǒng)損傷[26]。同時外泌體釋放的miR-124-3p 可有效減少炎癥組織中巨噬細胞、中性粒細胞和淋巴細胞等細胞數(shù)量[27]。

2.4 MSC-Exo對巨噬細胞及炎癥因子的抑制

已知MSC-Exo 可通過miR-233 信號通路、Toll樣受體4/核因子κB/P65 途徑、Janus 激酶-信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路及轉(zhuǎn)錄激活因子6 分子途徑促進巨噬細胞向M2 型巨噬細胞的分化，減少TNF-α、IL-1α、IL-1β、IL-6、CXCL9和CXCL10炎癥因子的分泌，增加IL-10、TGF-β、CCL1、CCL17、CCL18 和CCL22 抗炎因子的分泌，發(fā)揮抗炎作用[28-29]。同時通過抑制自噬逆轉(zhuǎn)了缺氧缺糖誘導(dǎo)的神經(jīng)炎癥反應(yīng)，降低M1 型小膠質(zhì)細胞標志物TNF-α、IL-6 和iNOS 的表達，增加了M2 型小膠質(zhì)細胞標志物IL-10、IL-4 的表達，同時MSC-Exo 通過抑制NF-κB 和p38-MAPK 信號通路減少巨噬細胞活化，減輕神經(jīng)炎癥反應(yīng)，改善損傷微環(huán)境，促進神經(jīng)功能恢復(fù)[30-31]。

2.5 MSC-Exo 對淋巴細胞、樹突狀細胞及炎癥因子的抑制

MSC-Exo 通過表達PD-L1、Galecin-1 和膜結(jié)合的TGF-β 分子，抑制自身反應(yīng)性淋巴細胞增殖，抑制促炎因子γ 干擾素、TNF-α、IL-22 和IL-1β 的分泌，促進IL-6、IL-10 和TGF-β 抗炎細胞因子分泌，加速活化T 細胞的凋亡，促進Th1 細胞轉(zhuǎn)化為Th2 細胞，減少Th17 細胞和Th22 細胞的生成，上調(diào)抑制自身反應(yīng)性淋巴細胞增殖比例，有效誘導(dǎo)外周免疫耐受和調(diào)節(jié)免疫反應(yīng)[32-35]。MSC-Exo 能減少表面活化標記，抑制樹突狀細胞的活化和功能成熟，并通過TLR-NF-κB 信號通路，促使其向耐受型方向發(fā)展，減少活化CD8+T 細胞生成，減輕炎癥損傷，誘導(dǎo)免疫耐受，調(diào)節(jié)免疫平衡[36]。

3 總結(jié)與展望

MSC-Exo 作為一種新型的無細胞療法，比活體間充質(zhì)干細胞移植更具前景。靜脈移植MSCs 后，由于體積較大，大量間充質(zhì)干細胞滯留于肺毛細血管床，只有不到1%的間充質(zhì)干細胞可以到達靶點并發(fā)揮作用[37]。MSC-Exo 作為間充質(zhì)干細胞的功能載體，既可保留間充質(zhì)干細胞的功能特性，同時又具有更低的免疫原性與安全性，體積更小、更易通過血腦屏障靶向神經(jīng)受損部位發(fā)揮抗炎作用。MSC-Exo 既可抑制星型膠質(zhì)細胞活化，促進M2 型巨噬細胞生成，減少中性粒細胞的炎癥浸潤，抑制自身反應(yīng)性淋巴細胞增殖和加速活化T 細胞的凋亡，誘導(dǎo)T 細胞和樹突狀細胞產(chǎn)生免疫耐受，增加IL-10、TGF-β 等抗炎因子的分泌，減少TNFα、IL-1α 等炎癥因子的分泌，減輕整體神經(jīng)炎癥損傷，促進神經(jīng)功能恢復(fù)。這些研究都證明了MSC-Exo 可有效緩解TBI 后神經(jīng)炎癥反應(yīng)，同時MSC-Exo 作為理想的藥物遞送載體，有望成為一種新興的減輕神經(jīng)炎癥反應(yīng)的納米治療劑。而如何批量獲取高效且穩(wěn)定表達的MSC-Exo 并明確在人體內(nèi)的藥代動力學(xué)、不良反應(yīng)均是MSC-Exo 臨床應(yīng)用需要首先解決的難題，需開展更多多中心及大樣本隨機對照試驗和臨床研究來明確。