脂肪干細(xì)胞源性外泌體的應(yīng)用進(jìn)展

陳自強，米日班·買買提明，李紅建

脂肪干細(xì)胞（adipose-derived stem cells，ADSCs）是間充質(zhì)干細(xì)胞的主要來源之一，其被認(rèn)為是干細(xì)胞治療和再生醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的最有潛力的工具。ADSCs可分化為外胚層、中胚層和內(nèi)胚層三個譜系的細(xì)胞［1］，可通過釋放外泌體、miRNA、長鏈非編碼RNA（long non-coding RNA，lncRNA）、生長因子等成分來調(diào)節(jié)細(xì)胞微環(huán)境，其具有抗凋亡、抗炎、促進(jìn)血管生成、調(diào)節(jié)免疫功能、抗瘢痕形成等作用［2-3］。ADSCs向細(xì)胞外分泌的小囊泡——脂肪干細(xì)胞源性外泌體（adiposederived stem cells-derived exosomes，ADSCs-Exos）可以運輸多種細(xì)胞成分并與靶細(xì)胞融合，介導(dǎo)局部和系統(tǒng)性的細(xì)胞間通訊，從而調(diào)節(jié)受體細(xì)胞生物學(xué)行為［4］。此外，ADSCs-Exos還在許多疾病中顯示出較高的診斷價值和治療潛力，特別是在腫瘤、COVID-19和再生醫(yī)學(xué)方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用［5-6］。本文主要綜述了ADSCs-Exos在傷口愈合、肥胖、糖尿病、COVID-19、腫瘤、神經(jīng)退行性疾病及心血管疾病中的應(yīng)用進(jìn)展。

1 外泌體的生物學(xué)結(jié)構(gòu)及功能

1981年，外泌體首次被揭示［7］；1987年，JOHNSTONE等［8］注意到綿羊網(wǎng)織紅細(xì)胞分泌的小囊泡（直徑為30～150 nm），并為其取名為“外泌體”。外泌體的產(chǎn)生過程涉及質(zhì)膜的雙重內(nèi)陷和含有腔內(nèi)囊泡的細(xì)胞內(nèi)多泡體的形成，腔內(nèi)囊泡最終通過質(zhì)膜損傷和細(xì)胞內(nèi)多泡體的胞吐作用以外泌體的形式分泌［4］。近年隨著研究深入，研究者發(fā)現(xiàn)外泌體幾乎是所有細(xì)胞可分泌的膜狀細(xì)胞外囊泡，其由脂質(zhì)雙層膜保護(hù)以免被酶降解，其被遞送至靶細(xì)胞，可攜帶其來源細(xì)胞的重要信息和大分子，這些大分子由多種蛋白質(zhì)、酶、轉(zhuǎn)錄因子、脂質(zhì)、細(xì)胞外基質(zhì)蛋白、受體和核酸組成，可以在外泌體的內(nèi)部和外部被發(fā)現(xiàn)［4，9］。研究發(fā)現(xiàn)，幾乎所有體液中均可以檢測到外泌體［10-11］。外泌體由供體細(xì)胞釋放到細(xì)胞外環(huán)境中以執(zhí)行多種生物學(xué)功能，包括細(xì)胞內(nèi)通訊及親本細(xì)胞與周圍細(xì)胞之間的遺傳物質(zhì)交換、蛋白質(zhì)交換［12］。此外，一些外泌體數(shù)據(jù)庫，如ExoCarta［13］、Vesiclepedia［14］和EVpedia［15］還提供了有關(guān)外泌體成分（包括蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和核酸）的詳細(xì)信息及外泌體分離方法。

2 ADSCs-Exos的應(yīng)用進(jìn)展

2.1 ADSCs-Exos在傷口愈合中的應(yīng)用 傷口愈合是一個復(fù)雜的生物學(xué)過程，其常發(fā)生于因外傷、燒傷或糖尿病潰瘍受傷后的皮膚組織中。慢性病患者皮膚傷口較難愈合，如糖尿病或長期臥床患者；因此，傷口愈合仍是臨床醫(yī)生棘手的問題之一［16］。目前，傷口愈合存在的主要問題是皮膚愈合延遲和瘢痕增生，而ADSCs-Exos被證實可以解決上述問題［17］。研究顯示，ADSCs-Exos通過過表達(dá)乙二醛酶1可以保護(hù)2型糖尿病下肢缺血小鼠內(nèi)皮細(xì)胞并促進(jìn)其血管生成，改善其血液循環(huán)，故ADSCs-Exos可能成為糖尿病下肢缺血的一種新的治療方法［18］。研究顯示，ADSCs-Exos進(jìn)入細(xì)胞后可釋放活性物質(zhì)并促進(jìn)成纖維細(xì)胞遷移、增殖和膠原合成，從而加速軟組織的傷口愈合［19］。近期研究發(fā)現(xiàn)，ADSCs-Exos可促進(jìn)人皮膚成纖維細(xì)胞的增殖和遷移，并上調(diào)lncRNA MALAT1的表達(dá)，而lncRNA MALAT1在不同類型疾病中與內(nèi)皮細(xì)胞遷移和血管生成有關(guān)，其可通過調(diào)節(jié)miR-378a/成纖維細(xì)胞生長因子2（fibroblast growth factor 2，F(xiàn)GF2）軸而加速傷口愈合［20］。瘢痕增生是傷口愈合后皮膚和軟組織的形態(tài)學(xué)和組織病理學(xué)的改變，可影響美觀和器官功能。MARTIN［21］研究發(fā)現(xiàn)，對小鼠切口模型靜脈注射ADSCs-Exos可縮小其瘢痕面積，增加膠原蛋白Ⅲ與膠原蛋白Ⅰ的比例，并調(diào)節(jié)成纖維細(xì)胞分化和基因表達(dá)。此外，LI等［17］實驗表明，ADSCs-Exos減少了膠原蛋白的沉積、纖維細(xì)胞的轉(zhuǎn)分化且通過調(diào)節(jié)miR-192-5p/IL-17RA/Smad軸而減少肥胖性瘢痕的形成。

綜上，在傷口愈合過程中，ADSCs-Exos可調(diào)控免疫反應(yīng)和炎癥，促進(jìn)血管生成，加速組織細(xì)胞增殖并抑制瘢痕增生過程中的膠原蛋白重塑。

2.2 ADSCs-Exos在肥胖中的應(yīng)用 肥胖是一種與脂肪組織過度積累有關(guān)的慢性病，被認(rèn)為是胰島素抵抗、炎癥、高血壓、心血管疾病和代謝紊亂的危險因素［22］。研究表明，脂肪組織衍生的外泌體不僅在旁分泌和內(nèi)分泌模式下發(fā)揮作用，而且還可以充當(dāng)細(xì)胞間的通訊器，以促進(jìn)脂肪細(xì)胞的成熟［23］。研究發(fā)現(xiàn)，ADSCs-Exos可減少γ干擾素（gamma interferon，IFN-γ）的分泌，抑制T淋巴細(xì)胞活化，從而減輕脂肪炎癥和免疫反應(yīng)；此外，ADSCs-Exos還可以主導(dǎo)M2型巨噬細(xì)胞極化，使其表達(dá)高水平的酪氨酸羥化酶，進(jìn)而釋放兒茶酚胺，促進(jìn)白色脂肪組織（white adipose tissue，WAT）特異性解偶聯(lián)蛋白1的表達(dá)，重塑WAT中的免疫穩(wěn)態(tài)以應(yīng)對高脂肪的挑戰(zhàn)［24-25］。既往研究表明，當(dāng)脂肪組織來源的外泌體和ADSCs-Exos分別與ADSCs共培養(yǎng)時，只有脂肪組織來源的外泌體可以誘導(dǎo)脂肪生成，而ADSCs-Exos不能誘導(dǎo)脂肪生成［26-27］，但其具體分子機制仍不清楚。

綜上，將ADSCs-Exos用于控制肥胖具有一定潛力，但目前關(guān)于肥胖與ADSCs-Exos的相關(guān)研究較少，仍需要更多研究進(jìn)一步探究。

2.3 ADSCs-Exos在糖尿病中的應(yīng)用 WHO相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，預(yù)計到2035年，糖尿病患者人數(shù)將達(dá)到5.92億［28］。糖尿病是一組代謝紊亂性疾病，其病理特征是胰島素產(chǎn)生不足或受體細(xì)胞對胰島素反應(yīng)不佳而導(dǎo)致的長期高血糖狀態(tài)［29］。既往研究發(fā)現(xiàn)，ADSCs-Exos可維持肥胖小鼠代謝穩(wěn)態(tài)，包括增加胰島素敏感性、減少肥胖、減輕肝脂肪變性，從而為肥胖和糖尿病提供一種潛在的治療方法［24］。但有研究發(fā)現(xiàn)，正常小鼠棕色脂肪細(xì)胞衍生的外泌體在被肝臟吸收后可減輕小鼠的全身胰島素抵抗［30］。近年有研究發(fā)現(xiàn)，1型糖尿病患者ADSCs-Exos體積大于正常人、數(shù)量少于正常人，但目前研究尚不清楚ADSCs-Exos變化如何影響1型糖尿病的病理生理學(xué)變化［31］。此外，有研究還發(fā)現(xiàn)ADSCs-Exos可通過改善神經(jīng)血管功能、抑制炎癥因子表達(dá)、傳遞circRNA和誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞極化而對糖尿病大鼠模型的傷口愈合及勃起功能障礙產(chǎn)生積極作用［32-33］。

2.4 ADSCs-Exos在COVID-19中的應(yīng)用 間充質(zhì)干細(xì)胞具有強大的再生和免疫調(diào)節(jié)作用，其被提議作為COVID-19的治療選擇。眾所周知，ADSCs可增殖并分化成各種細(xì)胞以修復(fù)受損或死亡的細(xì)胞，同時也可以通過自分泌和旁分泌途徑來激活細(xì)胞再生和愈合的過程，而在此過程中ADSCs-Exos發(fā)揮了重要的生物學(xué)功能［34］。大量研究證實，ADSCs-Exos在促進(jìn)細(xì)胞增殖、減輕炎癥和氧化應(yīng)激及調(diào)節(jié)免疫功能等方面具有一定作用［35-38］。外泌體可增加中性粒細(xì)胞的數(shù)量和活力，同時減少嗜酸粒細(xì)胞生成，表明外泌體在感染和免疫缺陷病中具有潛在的治療作用［39］。此外，ADSCs-Exos含有一組miRNA，包括miRNA-100-5p、miRNA-451a和miRNA-126-3p，其被認(rèn)為具有免疫抑制和抗炎作用［38，40-41］。

上述研究的發(fā)現(xiàn)為ADSCs-Exos作為免疫調(diào)節(jié)藥物提供了依據(jù)；同時，外泌體具有遷移至靶器官而不被肺捕獲的優(yōu)勢，故可以將抑制病毒在宿主細(xì)胞中復(fù)制和傳播的藥物或生物調(diào)節(jié)劑加載到外泌體上，并通過氣溶膠吸入方式治療疾病［42］。目前，許多針對ADSCs-Exos治療COVID-19的機制研究和臨床試驗正在開展［42-43］。雖然ADSCs-Exos治療COVID-19的作用機制和效果尚不清楚，但將其作為COVID-19的治療方案仍值得期待。

2.5 ADSCs-Exos在腫瘤中的應(yīng)用 ADSCs在部分腫瘤的發(fā)生發(fā)展過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，如乳腺癌和惡性黑色素瘤。研究顯示，ADSCs可促進(jìn)乳腺癌和惡性黑色素瘤中癌細(xì)胞的遷移、血管生成和內(nèi)皮-間充質(zhì)轉(zhuǎn)化［44-45］。ADSCs-Exos在乳腺癌中的表現(xiàn)與ADSCs相似，可促進(jìn)乳腺癌細(xì)胞的遷移和增殖，且可以上調(diào)一些與腫瘤發(fā)展相關(guān)的信號通路的活性，其中上調(diào)Wnt信號通路活性的效果比較明顯［46］。同樣，有研究者在骨肉瘤大鼠模型中觀察到ADSCs-Exos可通過增加半乳糖基轉(zhuǎn)移酶2的表達(dá)而促進(jìn)骨肉瘤細(xì)胞的侵襲、遷移和增殖［47］。但也有學(xué)者在另一項肝細(xì)胞癌大鼠模型中觀察到，ADSCs-Exos對腫瘤發(fā)生具有抑制作用［48］。此外，SEO等［49］研究亦表明，由ADSCs-Exos釋放的miR-503-3pf可抑制腫瘤生長，調(diào)節(jié)腫瘤干細(xì)胞增殖和自我更新，降低多能性基因的表達(dá)能力。

綜上，目前ADSCs-Exos的潛在促癌或抗癌作用的具體機制尚有待闡明。而近期研究多集中在將ADSCs-Exos作為miRNA和藥物轉(zhuǎn)移的遞送載體方面［50］。

2.6 ADSCs-Exos在神經(jīng)退行性疾病中的應(yīng)用 神經(jīng)退行性疾病是嚴(yán)重影響患者日常生活的慢性病，包括帕金森病、阿爾茨海默病、肌萎縮側(cè)索硬化癥和亨廷頓病。上述疾病有一個共同特點，即退行性不可逆，且無有效的藥物或治療方法可以完全緩解其癥狀。目前研究證實，ADSCs-Exos在神經(jīng)保護(hù)和神經(jīng)再生中起關(guān)鍵作用［51］。前期研究表明，ADSCs-Exos可降低阿爾茨海默病小鼠模型β淀粉樣蛋白（amyloid-beta peptide，Aβ）水平和神經(jīng)元Aβ42/Aβ40比值，增加細(xì)胞存活率，降低細(xì)胞死亡率、神經(jīng)元凋亡率，同時還能促進(jìn)神經(jīng)干細(xì)胞的神經(jīng)突生長［52］。近期阿爾茨海默病小鼠模型實驗表明，含有circRNA-Epc1的ADSCs-Exos可減輕神經(jīng)元損傷、將海馬中M1型小膠質(zhì)細(xì)胞轉(zhuǎn)化為M2型小膠質(zhì)細(xì)胞，進(jìn)而導(dǎo)致炎性細(xì)胞因子表達(dá)減少及海馬神經(jīng)元凋亡減少，這在一定程度上減輕了阿爾茨海默病誘導(dǎo)的認(rèn)知障礙［53］。上述研究表明，ADSCs-Exos在阿爾茨海默病中具有潛在的治療作用。肌萎縮側(cè)索硬化癥是一種破壞性神經(jīng)系統(tǒng)疾病，由大腦、腦干和脊髓的運動神經(jīng)元選擇性死亡引起，其病理學(xué)特征是超氧化物歧化酶1（superoxide dismutase 1，SOD-1）的激活和聚集。LEE等［54］研究發(fā)現(xiàn)，ADSCs-Exos可以調(diào)節(jié)肌萎縮側(cè)索硬化癥的細(xì)胞表型，包括SOD-1聚集和線粒體功能障礙，其可能成為肌萎縮側(cè)索硬化癥的治療選擇。ADSCs-Exos可以減輕亨廷頓病體外模型中突變亨廷頓蛋白的聚集及線粒體功能障礙，減少細(xì)胞凋亡，調(diào)節(jié)亨廷頓病的臨床表型，從而達(dá)到治療疾病的目的［55］。此外，在包括坐骨神經(jīng)損傷和海綿狀神經(jīng)損傷在內(nèi)的周圍神經(jīng)損傷模型中，ADSCs-Exos可以有效緩解其正常神經(jīng)解剖結(jié)構(gòu)的扭曲、平滑肌萎縮和減少膠原蛋白沉積，同時促進(jìn)其神經(jīng)元軸突再生［56-57］。

上述研究表明，ADSCs-Exos作為一種非細(xì)胞療法在神經(jīng)退行性疾病中具有一定治療作用。

2.7 ADSCs-Exos在心血管疾病中的應(yīng)用 既往研究表明，通過抑制Wnt/β-catenin信號通路可部分中和ADSCs-Exos誘導(dǎo)的H9c2細(xì)胞的凋亡，提示ADSCs-Exos可能通過激活Wnt/βcatenin信號通路而保護(hù)缺血心肌免受缺血/再灌注損傷［58］。此外，ADSCs-Exos對心肌梗死后的損傷心肌具有明顯的保護(hù)作用［59］。DENG等［60］研究表明，ADSCs-Exos可逆轉(zhuǎn)心肌梗死誘導(dǎo)的1-磷酸鞘氨醇（sphingosine-1-phosphate，S1P）、鞘氨醇激酶1（sphingosine kinase 1，SK1）和1-磷酸鞘氨醇受體1（sphingosine-1-phosphate receptor 1，S1PR1）的下調(diào)，可部分緩解心肌梗死引起的心臟功能降低和心臟結(jié)構(gòu)改變；此外，ADSCs-Exos還可以抑制心肌梗死誘導(dǎo)的M1型巨噬細(xì)胞標(biāo)志物IL-1、IL-6、TNF-α、IFN-γ的表達(dá)，并促進(jìn)M2型巨噬細(xì)胞標(biāo)志物Arg1、Ym1、轉(zhuǎn)化生長因子β1（transforming growth factor beta 1，TGF-β1）等的表達(dá)，進(jìn)而抑制心肌纖維化并發(fā)揮抗炎作用。

綜上，ADSCs-Exos可能通過減輕心肌缺血/再灌注損傷和心肌纖維化、抗炎作用而對心肌具有保護(hù)作用，故其有望為心血管疾病的治療提供新的思路。

3 小結(jié)與展望

綜上所述，ADSCs-Exos在傷口愈合、肥胖、糖尿病、COVID-19、神經(jīng)退行性疾病及心血管疾病中具有一定治療潛力；此外，其還可以作為潛在的藥物遞送載體或無細(xì)胞疫苗，為難治性疾病提供替代治療策略。但目前ADSCs-Exos在疾病中的應(yīng)用效果仍處于早期研究階段，其確切機制仍不清楚，且有許多問題仍待解決，如ADSCs-Exos長期治療效果、治療劑量及安全性均有待更多的高質(zhì)量研究進(jìn)一步證實。

作者貢獻(xiàn)：陳自強進(jìn)行文章的構(gòu)思與設(shè)計，撰寫、修訂論文；陳自強、李紅建進(jìn)行文章的可行性分析；陳自強、米日班·買買提明進(jìn)行文獻(xiàn)/資料收集、整理；李紅建負(fù)責(zé)文章的質(zhì)量控制及審校，并對文章整體負(fù)責(zé)、監(jiān)督管理。

本文無利益沖突。