外泌體在創(chuàng)傷性腦損傷中應(yīng)用的研究進(jìn)展

劉夢(mèng)龍,周 馨,段海真

1.遵義醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院急診科，貴州 遵義 563003; 2.達(dá)州中醫(yī)藥職業(yè)學(xué)院，四川 達(dá)州 635000

全世界每年約有500萬(wàn)人遭受創(chuàng)傷性腦損傷(traumatic brain injury,TBI)，且男性多于女性，每年因TBI導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失超過(guò)4 000億美元[1]。TBI常見(jiàn)病因包括鈍器傷、穿透?jìng)⒓铀偌皽p速傷、爆炸傷等[2]，這些損傷對(duì)大腦引起不同程度的損害。目前針對(duì)TBI尚無(wú)有效的治療方法。因此，需針對(duì)TBI后神經(jīng)損傷探索新的治療方向。外泌體是多種細(xì)胞均可分泌，直徑50～150nm的脂質(zhì)雙分子膜囊泡，與其起源的細(xì)胞具有相同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過(guò)攜帶蛋白質(zhì)、脂類以及核酸等生命物質(zhì)反映起源細(xì)胞的狀態(tài)，在生理?xiàng)l件和病理?xiàng)l件下參與復(fù)雜的細(xì)胞間信號(hào)傳導(dǎo)[3]。近年來(lái)研究發(fā)現(xiàn)外泌體能有效通過(guò)血腦屏障(blood-brain barrier,BBB)[4]，在改善腦卒中、阿爾茲海默病、糖尿病等引起的認(rèn)知功能障礙中起重要作用[5-7]，但外泌體在TBI后神經(jīng)損傷中的作用及機(jī)制尚待明確，因而需要進(jìn)一步探究外泌體在TBI后神經(jīng)損傷中的作用及機(jī)制，為尋求TBI后神經(jīng)功能損傷新的治療策略提供一定的理論依據(jù)。

1 TBI后病理過(guò)程

TBI后復(fù)雜的分子變化及細(xì)胞炎癥物質(zhì)將介導(dǎo)一系列免疫反應(yīng)。TBI包括原發(fā)性損傷和繼發(fā)性損傷兩個(gè)階段[8]，當(dāng)受到嚴(yán)重?fù)p傷時(shí)，強(qiáng)大的撞擊力或穿透力導(dǎo)致腦損傷處細(xì)胞瞬間死亡，引起原發(fā)性損傷；由于BBB結(jié)構(gòu)及功能遭到破壞、神經(jīng)血管單元組成的細(xì)胞功能障礙，引起級(jí)聯(lián)炎癥反應(yīng)、氧化應(yīng)激及神經(jīng)遞質(zhì)異常釋放等病理過(guò)程，繼而引起繼發(fā)性腦損傷[9]；由繼發(fā)性腦損傷引起的中樞神經(jīng)系統(tǒng)(central nervous system,CNS)細(xì)胞代謝紊亂和低氧等不良事件[10]，增加患者死亡的風(fēng)險(xiǎn)。

BBB是由星形膠質(zhì)細(xì)胞尾足、周細(xì)胞以及內(nèi)皮細(xì)胞緊密連接形成,TBI后BBB滲透性增加，導(dǎo)致顱內(nèi)外分子交換出現(xiàn)障礙[11-12]。小膠質(zhì)細(xì)胞作為CNS中的前哨細(xì)胞，是損傷后的第一反應(yīng)者，迅速參與免疫反應(yīng)。小膠質(zhì)細(xì)胞存在兩種表型，即M1和M2型，兩種表型的小膠質(zhì)細(xì)胞參與TBI后的繼發(fā)性損傷。其中M1型小膠質(zhì)細(xì)胞釋放促炎因子、趨化因子等介質(zhì)破壞顱腦的神經(jīng)修復(fù)，進(jìn)而引起慢性神經(jīng)炎癥；M2型小膠質(zhì)細(xì)胞釋放抗炎因子、生長(zhǎng)因子、轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β 等有益分子[9,13]。相關(guān)研究[13-14]已證實(shí)TBI后能通過(guò)將小膠質(zhì)細(xì)胞由M1表型極化為M2表型的方法來(lái)減輕炎癥反應(yīng)，促進(jìn)神經(jīng)恢復(fù)。此外，星形膠質(zhì)細(xì)胞也是大腦的常駐細(xì)胞，腦損傷后星形膠質(zhì)細(xì)胞增生、遷移，參與腦損傷后的炎癥反應(yīng)；同時(shí)還與小膠質(zhì)細(xì)胞相互作用，協(xié)同釋放各種生長(zhǎng)因子，促進(jìn)TBI后神經(jīng)修復(fù)[9,15]。研究發(fā)現(xiàn)小膠質(zhì)細(xì)胞、星形膠質(zhì)細(xì)胞這兩類細(xì)胞參與TBI后神經(jīng)修復(fù)的機(jī)制可能與外泌體有關(guān)，因而筆者聚焦于外泌體在TBI后的神經(jīng)修復(fù)作用進(jìn)行探討。

2 外泌體在TBI后神經(jīng)損傷的修復(fù)作用

大腦中幾乎所有細(xì)胞均能分泌外泌體，根據(jù)來(lái)源細(xì)胞不同主要分為神經(jīng)元源性外泌體(neruon-derived exosomes,NDEs)、小膠質(zhì)細(xì)胞源性外泌體(microgila-derived exosomes,MDEs)、星形膠質(zhì)細(xì)胞源性外泌體(astrocytes-derived exosomes,ADEs)。以上細(xì)胞源性外泌體均可通過(guò)作用于小膠質(zhì)細(xì)胞引起其M1表型向M2表型極化，從而改善TBI的癥狀。相較于CNS的固有細(xì)胞源性外泌體，外周間充質(zhì)干細(xì)胞源性外泌體(mesenchymal stem cells-derived exosomes，MSCs-exo)在TBI發(fā)生、發(fā)展及修復(fù)過(guò)程中的作用被更多關(guān)注。有研究[16]已證實(shí)MSCs-exo可減少繼發(fā)性神經(jīng)退行性病變及神經(jīng)炎癥，促進(jìn)神經(jīng)新生和血管再生，改善運(yùn)動(dòng)功能。以下將圍繞上述不同細(xì)胞來(lái)源的外泌體闡述其在TBI中的作用和機(jī)制(表1)。

表1 不同細(xì)胞來(lái)源的外泌體治療TBI的機(jī)制

2.1MSCs-exo 間充質(zhì)干細(xì)胞(mesenchymal stem cells，MSCs)是一種自我更新能力較強(qiáng)的多能干細(xì)胞，大量動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證實(shí)MSCs在TBI后神經(jīng)功能恢復(fù)中具有重要的促進(jìn)作用，而近年來(lái)有研究表明這些作用與外周MSCs-exo有關(guān)[16-17]。多個(gè)研究[18-20]證實(shí)予TBI小鼠體內(nèi)注射骨間BMSCs-exo后，其腦內(nèi)小膠質(zhì)細(xì)胞由M1表型極化為M2表型增加，神經(jīng)炎癥減輕，腦損傷面積減小，神經(jīng)功能改善。Zhang等[20]發(fā)現(xiàn)除抑制神經(jīng)炎癥，BMSCs-exo另具增加海馬細(xì)胞數(shù)量、促進(jìn)神經(jīng)修復(fù)及血管生成的重要作用。此外，另有研究[21]證實(shí)脂肪間充質(zhì)干細(xì)胞源性外泌體與BMSCs-exo有類似治療作用，小鼠在TBI后24h向其腦室內(nèi)注射脂肪間充質(zhì)干細(xì)胞源性外泌體，可抑制核因子-κB(nuclear factor-κ-gene binding，NF-κB)和p38絲裂原活化蛋白激酶(p-38 mitogen-activated protein kinase，p38MAPK)信號(hào)通路，促進(jìn)小膠質(zhì)細(xì)胞M1表型向M2表型轉(zhuǎn)化，從而減輕神經(jīng)炎癥。Williams等[22-24]也發(fā)現(xiàn)TBI的豬模型在早期給予BMSCs-exo治療可有效改善其早期神經(jīng)功能，減小腦損傷面積，緩解腦水腫，其機(jī)制證實(shí)與BMSCs-exo下調(diào)神經(jīng)炎癥和反應(yīng)性膠質(zhì)細(xì)胞增生相關(guān)基因表達(dá)相關(guān)。上述體內(nèi)體外研究證實(shí)MSCs-exo在TBI后治療中有促進(jìn)小膠質(zhì)M1表型向M2表型極化的作用，有利于神經(jīng)保護(hù)和減少免疫應(yīng)答。此外，外泌體治療TBI的研究已發(fā)展至大型動(dòng)物，展現(xiàn)出對(duì)TBI后神經(jīng)損傷治療的巨大潛力。MSCs引起的神經(jīng)組織修復(fù)及功能改善的作用機(jī)制主要基于其旁分泌效應(yīng)，而非MSCs本身的作用[18]。MSCs移植后會(huì)產(chǎn)生免疫反應(yīng)、血栓栓塞、腫瘤增殖等風(fēng)險(xiǎn)[25]，但MSCs-exo是否也存在這些不良事件的風(fēng)險(xiǎn)卻不得而知。因此，要最終實(shí)現(xiàn)臨床轉(zhuǎn)化尚需長(zhǎng)期的、系統(tǒng)的體內(nèi)外研究以明確MSCs-exo體內(nèi)注射的安全性后再逐步進(jìn)行。

2.2NDEs NDEs能改善TBI后神經(jīng)癥狀。有研究[26]將神經(jīng)元和小膠質(zhì)細(xì)胞在體外共同培養(yǎng)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)NDEs攜帶的miR-21-5p能被小膠質(zhì)細(xì)胞吞噬，繼而誘導(dǎo)小膠質(zhì)細(xì)胞向M1表型極化，使炎癥因子釋放增加，同時(shí)也使β-淀粉樣蛋白集聚，引起神經(jīng)元凋亡。此外，NDEs中攜帶的miR-21-5p能直接靶向抑制神經(jīng)元Rab11a3’UTR區(qū)域的翻譯，減少Rab11a3介導(dǎo)的神經(jīng)元自噬[27]。因此是否能通過(guò)避免miR-21-5p被小膠質(zhì)細(xì)胞吞噬，同時(shí)促進(jìn)miR-21-5p的直接靶向作用來(lái)減少神經(jīng)元自噬，改善TBI后的神經(jīng)損傷，還需更進(jìn)一步的研究。上述實(shí)驗(yàn)證明了NDEs有治療TBI后神經(jīng)損傷的潛力，但目前關(guān)于NDEs衍生的外泌體研究較少，尚需進(jìn)一步探索。

2.3MDEs MDEs具有促進(jìn)神經(jīng)修復(fù)和改善認(rèn)知障礙的作用。近期一項(xiàng)研究[28]通過(guò)基因本體論和京都基因與基因組百科全書(shū)富集分析預(yù)測(cè)MDEs搭載的miR-124-3p的靶點(diǎn)并加以驗(yàn)證，結(jié)果表明MDEs搭載的miR-124-3p靶向調(diào)節(jié)磷酸二酯酶4B，激活下游哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白信號(hào)通路，促進(jìn)神經(jīng)元軸突的生長(zhǎng)，有利于神經(jīng)功能恢復(fù)；MiR-124-3p還能靶向抑制NF-κB亞基V-Rel網(wǎng)狀內(nèi)皮增生病毒癌基因同源物蛋白(recombinant V-rel reticuloendotheliosis viral oncogene homolog A,RelA)，使載脂蛋白E的表達(dá)上調(diào)，促進(jìn)β-淀粉樣蛋白分解，防止TBI后發(fā)展至阿爾茨海默癥等神經(jīng)退行性病變[29]。此外，MDEs搭載miR-5121直接靶向調(diào)節(jié)神經(jīng)元中的排斥性引導(dǎo)分子a的表達(dá)，促進(jìn)神經(jīng)生長(zhǎng)和突觸恢復(fù)，改善TBI后小鼠的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)能力，逆轉(zhuǎn)TBI后的神經(jīng)損傷[30]。

2.4ADEs 研究表明ADEs在TBI后促進(jìn)神經(jīng)修復(fù)，可能與其含有神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)特性的蛋白質(zhì)如磷酸化應(yīng)激誘導(dǎo)蛋白(stress-inducible protein 1， STI1)等有關(guān)[31]。不僅如此，Long等[32]通過(guò)微小RNA全基因組微陣列分析發(fā)現(xiàn)在ADEs中有135種微小RNA上調(diào)，其中miR-873a-5p上調(diào)最為明顯，miR-873a-5p的表達(dá)上調(diào)抑制了TBI后小膠質(zhì)細(xì)胞NF-κB炎癥信號(hào)通路的激活，致使小膠質(zhì)細(xì)胞表型極化，從而減輕小膠質(zhì)細(xì)胞介導(dǎo)的神經(jīng)炎癥。此外，ADEs不僅能通過(guò)減弱間隙連接蛋白43磷酸化，進(jìn)而保護(hù)線粒體、降低細(xì)胞病死率[33]，而且ADEs被神經(jīng)元攝取后，其搭載的縫隙連接蛋白α1截短單體-20k下調(diào)凋亡相關(guān)基因的表達(dá)，減少損傷神經(jīng)元中的線粒體收縮，減輕損傷后神經(jīng)元的樹(shù)突損傷[34]。綜上，ADEs在TBI后具有促進(jìn)神經(jīng)修復(fù)、減輕小膠質(zhì)細(xì)胞介導(dǎo)的神經(jīng)炎癥、保護(hù)線粒體、抑制神經(jīng)元凋亡的重要作用，因而在TBI后神經(jīng)損傷治療中有巨大潛力。

2.5其他細(xì)胞源性的外泌體在TBI中的治療作用 除以上細(xì)胞外，研究者發(fā)現(xiàn)其他細(xì)胞源性外泌體也有治療TBI后神經(jīng)損傷的作用。有研究[35]從人臍血來(lái)源的內(nèi)皮細(xì)胞集落形成細(xì)胞培養(yǎng)基中分離出外泌體，于TBI后2h通過(guò)小鼠尾靜脈注射到體內(nèi)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)大腦低氧相關(guān)基因表達(dá)下降，如磷酸酶及張力蛋白同源物等，并誘導(dǎo)蛋白激酶B磷酸化，抑制下游凋亡信號(hào)通路的激活，從而減輕神經(jīng)細(xì)胞凋亡，同時(shí)有利于維持BBB的通透性，減少TBI后腦水腫的形成。另有研究[36]認(rèn)為人類脫落乳牙干細(xì)胞源性外泌體(stem cells from human exfoliated deciduous teeth-orginated exosomes，SHED-exo)對(duì)TBI后神經(jīng)損傷也有一定的治療效果。在體外將小膠質(zhì)細(xì)胞與SHED-exo共培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)M1表型標(biāo)志物基因表達(dá)水平顯著下降，而M2表型標(biāo)志物基因表達(dá)水平升高，則表明SHED-exo在TBI后能促進(jìn)小膠質(zhì)細(xì)胞M1型向M2型極化，減輕神經(jīng)炎癥，改善神經(jīng)功能。綜上所述，多種細(xì)胞源性外泌體有治療TBI后神經(jīng)損傷的潛力，但目前外泌體治療TBI后神經(jīng)損傷僅存在于動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中，并未大量轉(zhuǎn)化為臨床試驗(yàn)，所以外泌體在人體中的作用以及相應(yīng)不良事件還需要進(jìn)一步探索。

3 展望

外泌體是細(xì)胞間通訊的重要介質(zhì)，與生命活動(dòng)息息相關(guān)。由于能有效透過(guò)BBB，作為疾病發(fā)生發(fā)展的重要信號(hào)基礎(chǔ)，在CNS疾病中發(fā)揮重要作用。目前外泌體在TBI中的應(yīng)用已有了初步探索，具有抑制神經(jīng)炎癥和凋亡、改善神經(jīng)重塑等調(diào)控作用。這些研究主要集中于MSCs衍生的外泌體，而中樞神經(jīng)系統(tǒng)固有細(xì)胞神經(jīng)元、星形膠質(zhì)、小膠質(zhì)相對(duì)較少，由于錨定在不同細(xì)胞來(lái)源的外泌體的表面分子不同，因而對(duì)受體細(xì)胞的作用及發(fā)揮的功能各異。接下來(lái)的研究還需長(zhǎng)期探索，進(jìn)一步探討TBI后中樞神經(jīng)系統(tǒng)固有細(xì)胞間的外泌體信號(hào)交流機(jī)制,為TBI的臨床診治提供新的治療切入點(diǎn)可能是未來(lái)研究的重點(diǎn)。

作者貢獻(xiàn)聲明：劉夢(mèng)龍：選題設(shè)計(jì)、文章撰寫(xiě)；周馨：資料分析及文獻(xiàn)整理；段海真：文章審校