外泌体在心肌梗死中的研究进展

李东戈 黄宇理 康品方 熊 念

(蚌埠医学院第一附属医院，安徽 蚌埠 233004)



外泌体在心肌梗死中的研究进展

李东戈 黄宇理 康品方 熊 念1

(蚌埠医学院第一附属医院，安徽 蚌埠 233004)

心肌梗死；外泌体；微小RNA(microRNA)

心肌梗死是由于持续性的冠状动脉缺血导致的严重疾病，可以导致心肌坏死及心肌细胞的丧失，引发心功能不全、猝死等，严重威胁人类健康。目前临床上治疗心肌梗死的主要方法有药物治疗、冠脉介入治疗及冠状动脉旁路移植术等。这些手段能够缓解急性期的最初心肌损害，但是，梗死的心肌不可再生；此外，心梗急性期后，心脏重塑造成的心衰、心源性休克等问题依然影响着后续治疗。因此，亟需新的治疗手段解决这些问题。以间充质干细胞(MSCs)为代表的干细胞为基础的治疗在心血管疾病的治疗中显示出了新的希望，因为MSCs具有多向分化及旁分泌功能〔1〕。在特殊的微环境及体内外细胞因子诱导后，MSCs可以分化为心肌细胞、内皮细胞及血管平滑肌细胞等〔2〕。最近的研究显示，多种干细胞可以分泌外泌体，它们是一些含蛋白质、胆固醇、磷脂及RNA等物质的小囊泡，可以减少心肌损伤、促进心脏修复〔3〕。因此，基于外泌体及内容物对于心血管系统的保护作用，为心肌梗死的治疗开辟了新的思路。

1 外泌体

1.1 外泌体的概念及特点 外泌体是由细胞内的多囊泡小体分泌并通过细胞膜释放到细胞外环境中的一些小囊泡，直径约40～200 nm。内含多种物质，包括细胞因子、蛋白质、脂类、信使RNA、微小RNA(miRNA)及核糖体RNA〔4，5〕。外泌体的特点：(1)特异性：外泌体可以由淋巴细胞、血细胞、肿瘤细胞等多种细胞所释放，不同外泌体所含的RNA、蛋白质及其功能有所差异〔6，7〕。(2)中间介导及转运作用：外泌体能够通过转运蛋白质、信使RNA、miRNA等来介导细胞之间的相互联系。例如，慢性髓细胞性白血病中的肿瘤细胞所分泌的miR-126(可调节肿瘤细胞黏附性及迁移能力)被发现可穿梭至内皮细胞〔8〕；此外，这些肿瘤细胞释放的外泌体刺激骨髓基质细胞释放白细胞介素-8从而促进白血病的进展〔9〕。因此，外泌体被认为是通过传递蛋白质、mRNA及miRNA等物质到邻近细胞，促进细胞之间交流从而产生生物学效应的中介物质〔10〕。(3)广泛性：在体液中广泛存在，比如血液、尿液、唾液、乳汁等〔11〕。(4)可调节性：从细胞释放出的外泌体主要通过特定的Rab GTP酶(Rab7a/b和Rab35)来调节〔12〕。同时，外泌体的分泌及蛋白组成可受环境中的病理性变化所调节，这些病理变化包括组织缺氧、发热、酒精中毒等〔13〕。(5)靶向性：研究发现：心脏组织释放出的外泌体，尤其是源于梗死心肌边缘区的外泌体与正常心肌产生的外泌体，在种类与数量上、转运途径及功能等方面都有差异，由此可以进一步探索梗死心肌周围的外泌体与心肌保护的相关性，从而对梗死区实施靶向治疗〔14，15〕。

1.2 外泌体中miRNA的中间介导作用 近期研究表明：源于多种组织的外泌体中，miRNAs发挥着中间介导作用〔16〕。起源于MSCs的外泌体通过miR-16的中间介导作用，使得乳腺癌细胞中的血管内皮生长因子下调，最终导致血管再生受到明显抑制〔17〕。在心血管系统中，承载着miRNAs的外泌体可以迅速集中到心肌细胞和内皮细胞中，促进血管再生，使心肌得到保护〔18〕。Kuwabara等〔19〕在急性冠脉综合征患者研究中发现：血液中miR-1和miR-133a是升高的；使用一个心肌梗死的大鼠模型进一步研究发现：miR-133a是缺血的心肌细胞分泌的外泌体所释放的；进一步研究发现：应用低氧诱导因子1(HIF1)造成低氧环境，将心脏祖细胞(CPCs)移植到心梗区域，HIF1高度表达的内皮细胞会释放出大量的外泌体能够被移植到心梗区域的CPCs所摄取，这些外泌体中miR-126和miR-210的水平明显升高，最终心脏功能得到了改善。这暗示了miRNAs在心肌保护方面有着重要作用〔20〕。已证实，miR-214是由人类内皮细胞分泌的外泌体所释放的，并且在缺血的心脏中是明显上调的〔21，22〕。Susmita等〔23〕研究发现血液循环中人类CD34+干细胞分泌的外泌体含有大量的miR-126。循环中miR-126的水平能够反映干细胞分泌的外泌体的动员与释放情况。进一步研究发现：在组织缺氧与非缺氧情况下，有7种miRNAs在CPCs分泌的外泌体中出现了不同的表达。miR-103与miR-105b在内皮细胞与成纤维细胞中明显升高，因为这些细胞可以摄取源于CPCs的外泌体〔24〕。以上研究结论显示：外泌体转运着miRNA的信息，不同细胞起源的外泌体诱导miRNA的选择性表达，这可以保护细胞在缺血条件下减少死亡。

2 外泌体在心肌梗死中的益处

2.1 外泌体对于心脏方面的益处

2.1.1 抗凋亡 心肌梗死导致心肌细胞的进行性丧失最终导致心功能不全，然而，正常心肌细胞不能取代凋亡的细胞。Feng等〔25〕研究发现：MSCs可以通过转运外泌体中的miR-22作用于靶点甲基CpG结合蛋白2(MECP2)来减少心肌细胞凋亡，从而改善缺血性心肌损伤。Lucio等〔26〕研究发现：由CPCs分泌的外泌体中高度富含微小RNA，包括：miR-210、miR-132等。miR-210抑制了心肌细胞的凋亡，miR-132增强了内皮细胞的血管生成。通过向梗死的心脏中注射源于人心脏祖细胞分泌的外泌体，与注射对比剂的对照组相比较发现：这一举措可以抑制心肌细胞凋亡，增强血管生成，改善心脏功能。

2.1.2 抗心脏重塑 心脏重塑，是各种心血管疾病代偿的结果，如心肌肥厚、心肌纤维化等，如不能得到恰当的治疗通常会发展成心力衰竭。Arslan等〔3〕研究发现，在心肌经历了缺血再灌注损伤之后，源于MSCs的外泌体能够通过激活促生存信号、恢复能量代谢及减少氧化应激等作用来增强心肌活力，延缓了心脏重塑。Khan等〔27〕发现：老鼠胚胎干细胞分泌的外泌体可以通过加强血管生成、心肌细胞生存以及抗心脏重塑等使得梗死后的心功能得到强化。

2.1.3 心血管细胞再生 由于病理微环境或损害因素(如心肌梗死)所致的心肌细胞的坏死和凋亡是心衰的主要原因，然而传统的治疗，比如药物治疗、外科手术、介入疗法等受到一定的限制。Sabin等〔28〕研究报道：心脏祖细胞(CPCs)释放的外泌体能够诱导心肌的再生。这暗示了外泌体在心肌再生方面具有临床意义。

2.1.4 抗炎作用 Arslan等〔3〕研究报道，在心脏发生缺血再灌注损伤后，MSCs分泌的外泌体可以增加白细胞计数，缓解心梗伴随的炎症反应，从而增强心脏功能；此外，这些外泌体还可以减轻肺部炎症，从而缓解肺动脉高压。这表明，源于MSCs的外泌体在心血管疾病中发挥着抗炎作用。

2.2 外泌体对于血管方面的益处

2.2.1 血管再生 Bian等〔29〕研究发现：从人的MSCs来源的外泌体可促进心肌梗死的大鼠血管再生。MSCs在低氧环境下可以释放出大量的外泌体，这些物质能够及时被人脐静脉内皮细胞所摄取，同时内部化从而导致内皮细胞在体外增殖、迁移及血管形成的剂量依赖性增强。Vrijsen等〔30〕报道：源于CPCs的外泌体可以促进内皮细胞的迁移改善心功能，促进VEGF的分泌导致血管再生。以上证据说明外泌体能通过促进血管生成、减少缺血性损伤从而保护心肌细胞。

2.2.2 抗血管重塑 血管重塑是对血管细胞的增生、肥大、凋亡、迁移以及细胞外基质的生成和降解的一种适应性反应。Vergadi等〔31〕通过对一些患有肺动脉高压的大鼠进行研究发现，源于MSCs的外泌体可以通过阻断缺氧诱导的促有丝分裂因子(HIMF)的表达从而抑制细胞的不良增殖，抑制肺动脉压力、抗血管重塑。这表明MSCs起源的外泌体有着抗血管重塑的作用。

3 外泌体在心肌梗死诊疗中的作用

3.1 外泌体为心肌梗死的诊断提供了新的思路 近期研究表明，外周血循环中显著升高的外泌体miRNA-133a主要来源于损伤的心肌，有望成为新型心肌损伤标志物〔32〕。研究发现：心肌缺血时，源于间充质干细胞的外泌体包含的miR-22数量是增长的，它们可能靶向运送到心肌细胞中发挥心肌保护作用〔25〕。此外，Cheng等〔33〕研究发现在大鼠急性心肌梗死后尿液中的miRNAs迅速升高，24 h达到峰值，实验数据表明超过正常基线数倍。在正常的尿液中，没有发现miR-208，但在急性心肌梗死的大鼠尿液中，miR-208很容易被检测到。同时，在心肌梗死病人中尿液中的miR-1水平也是明显增高的。以上这些研究结论表明，外泌体及内容物在心肌梗死的诊断方面可能有着新的前景。

3.2 外泌体在心肌梗死的治疗作用包括两个方面

3.2.1 减轻心血管细胞的损伤 在小鼠缺血再灌注模型的相关研究中，单次静脉应用源于间充质干细胞的外泌体使得小鼠的心梗面积减少了45%。此外，外泌体疗法能够减轻小鼠缺血再灌注损伤之后的系统炎症反应〔3〕。Bian等〔29〕使用急性心肌梗死的大鼠模型，用上述外泌体对其进行心肌内注射后发现心肌血流明显增强。Lai等〔34〕研究发现，间充质干细胞分泌的外泌体可以减少心肌的缺血再灌注损伤。这些外泌体通过减少氧化应激，增加ATP和NADP，控制炎症活动以及激活PI3K/Akt通路，从而在缺血再灌注损伤后，对心肌的生存及左室收缩功能的保留产生保护性的作用，这表明外泌体用于缺血再灌注损伤的治疗可能作为一种补充性的实体。Feng等〔35〕研究发现：当处于缺血条件下时，源于间充质干细胞的外泌体包含的miR-22数量是增长的，它们可能被集中到心肌细胞中通过miR-22作用于靶点MECP2来对抗心肌细胞凋亡。此外，心肌纤维化也被外泌体所对抗，这表明了外泌体在梗死的心肌中起到了保护作用。在Zhao等〔36〕研究发现，人体脐带血中的间充质干细胞释放的外泌体(hucMSC-exosomes)在心肌梗死时对于缺血心肌存在着保护作用。将一些大鼠的左前降支冠状动脉被结扎后随即予以外泌体静脉应用，结果表明，hucMSC-exosomes通过保护心肌细胞免于凋亡及促进血管生成改善了心脏的收缩功能。此外，Bcl-2是一种重要的抗凋亡蛋白，hucMSC-exosomes可以显著增加暴露于低氧环境下的心肌细胞中的Bcl-2，从而抵抗心肌细胞凋亡。Arslan等〔3〕研究发现：源于间充质干细胞的外泌体可以增加三磷酸腺苷(ATP)的水平，减少氧化应激，激活了PI3K/Akt通路来增强心肌细胞的存活率同时阻止了心肌缺血再灌注损伤的不良重塑。以上研究表明，心肌缺血时，外泌体可以通过减轻心血管细胞损伤对心肌进行保护。

3.2.2 促进心血管细胞的修复 近期研究表明：干细胞在受损心肌的修复有益作用是通过释放外泌体所发挥的〔37〕。相关动物实验研究发现：在心肌梗死的老鼠心脏中，心脏祖细胞(CPCs)分泌的外泌体对心脏具有保护作用，通过阻滞外泌体的分泌减弱了CPCs的保护作用，特别指出的是，miR-146a被发现在CPCs分泌的外泌体的心脏保护作用中发挥了主要作用。CPCs同时还能通过转运外泌体促进血管生成以及体外心肌细胞的存活〔24〕。Khan等〔27〕进一步研究发现：老鼠胚胎干细胞分泌的外泌体具有在梗死的心脏中强化心功能的作用，这些作用体现在：加强血管生成、心肌细胞生存以及减少梗死后心肌纤维化。在一个缺血-再灌注的老鼠模型中，外泌体通过一种涉及“Toll”样受体4及经典的热休克蛋白70的途径向心肌传送着内源性保护信号〔38〕。GATA-4高度表达的间充质干细胞分泌的外泌体通过释放出了多种miRNAs改善了心脏的收缩功能，同时减小了梗死的面积，这些miRNAs负责细胞生存信号通路的活性〔39〕。笔者发现，源于心脏祖细胞和骨髓间充质干细胞的外泌体在心梗后可以改善心脏重塑，提升心脏功能。Kang等〔40〕研究发现：CXCR4，作为一种G蛋白藕联受体，与它的主要配体基质细胞衍生因子SDF-1α一起在干细胞/祖细胞的活动中起到调节作用。CXCR4高表达的间充质干细胞分泌的外泌体在心肌梗死时可通过Akt信号通路促进了缺血心肌的保护。被植入体内的间充质干细胞成分预处理后的外泌体通过增加血管的生成、减少梗死的面积以及改善了心脏的重构从而促进了心功能的恢复。富含CXCR4的外泌体可以保护体内、体外的心肌细胞减少缺血再灌注损伤。作为一种新的治疗策略，可以促进缺血性心脏的心肌细胞存活及血管再生，促进血运重建等。以上研究表明，外泌体可以通过改善心脏重塑，抑制纤维化等途径促进心梗后心脏修复。

4 外泌体在心肌梗死中的展望与前景

以上研究表明，外泌体中间介导了多细胞之间的通讯与交流，在一定条件下，外泌体可以增加心肌细胞的存活、抑制凋亡等。因此，外泌体在心肌梗死的诊疗中有着广阔的前景。当然，有关外泌体在心肌梗死治疗中潜在的具体机制还需进一步探索，其治疗作用很大程度上归因于外泌体内容物，如功能性细胞因子、miRNAs和蛋白质等，如何保存这些物质并将它们传送到相应的靶点使其有效发挥作用是目前我们面临的重大挑战。此外，还需要随访性研究来观察外泌体疗法将带来哪些问题，如何解决等。使得此类疗法能够成为治疗心梗的一种有前景的实际应用手段。

1 Christoforou N，Gearhart JD.Stem cells and their potential in cell-based cardiac therapies〔J〕.Prog Cardiovasc Dis，2007；49(6)：396-413.

2 Xu Y，Meng H，Li C，etal.Umbilical cord-derived mesenchymal stem cells isolated by a novel explantation technique can differentiate into functional endothelial cells and promote revascularization〔J〕.Stem Cell Dev，2010；19(10)：1511-22.

3 Arslan F，Lai RC，Smeets MB，etal.Mesenchymal stem cell-derived exosomes increase ATP levels，decrease oxidative stress and activate PI3K/Akt pathway to enhance myocardial viability and prevent adverse remodeling after myocardial ischemia/reperfusion injury〔J〕.Stem Cell Res，2013；10(3)：301-12.

4 Malik ZA，Kott KS，Poe AJ，etal.Cardiac myocyte exosomes：stability，HSP60，and proteomics〔J〕.Am J Phy Heart Cir Phys，2013；304(7)：954-65.

5 Jenjaroenpun P,Kremenska Y,Nair VM,etal.Characterization of RNA in exosomes secreted by human breast cancer cell lines using next-generation sequencing〔J〕.Peer J，2013；1：e201.

6 Yu X，Huang C，Song B，etal.CD4(+)CD25(+) regulatory T cells-derived exosomes prolonged kidney allograft survival in a rat model〔J〕.Cell Immun，2013；285(1-2)：62-8.

7 Buschow SI，Balkom BWMV，Aalberts M，etal.MHC class Ⅱ-associated proteins in B-cell exosomes and potential functional implications for exosome biogenesis〔J〕.Immun Cell Biol，2010；88(8)：851-6.

8 Taverna S，Amodeo V，Saieva L，etal.Exosomal shuttling of miR-126 in endothelial cells modulates adhesive and migratory abilities of chronic myelogenous leukemia cells〔J〕.Mol Cancer，2014;13(1)：1-15.

9 Corrado C，Raimondo S，Saieva L，etal.Exosome-mediated crosstalk between chronic myelogenous leukemia cells and human bone marrow stromal cells triggers an Interleukin 8-dependent survival of leukemia cells〔J〕.Cancer Lett，2014;348(1-2)：71-6.

10 Das S，Halushka MK.Extracellular vesicle microRNA transfer in cardiovascular disease〔J〕.Cardiovasc Pathol，2015;24(4)：199-206.

11 Vlassov AV，Magdaleno S，Setterquist R，etal.Exosomes：current knowledge of their composition，biological functions，and diagnostic and therapeutic potentials〔J〕.Biochim Biophys Acta，2012;1820(7)：940-8.

12 Ostrowski M，Nbkrumeich C.Rab27a and Rab27b control different steps of the exosome secretion pathway〔J〕.Nat Cell Biol，2010;12(1)：1-13.

13 Lötvall J，Rajendran L，Gho YS，etal.The launch of Journal of Extracellular Vesicles (JEV)，the official journal of the International Society for Extracellular Vesicles - about microvesicles，exosomes，ectosomes and other extracellular vesicles〔J〕.J Extracell Ves，2012;1(1)：55-72.

14 Emanueli C，Shearn AIU，Angelini GD，etal.Exosomes and exosomal miRNAs in cardiovascular protection and repair〔J〕.Vasc Pharmacol，2015;71：24-30.

15 Masamitsu K，Bachmann MH，Hardy JW，etal.Differential fates of biomolecules delivered to target cells via extracellular vesicles〔J〕.Proc Nat Acad Sci U S A，2015;112(12)：1433-42.

16 Wang M，Zhao C，Shi H，etal.Deregulated microRNAs in gastric cancer tissue-derived mesenchymal stem cells：novel biomarkers and a mechanism for gastric cancer〔J〕.Br J Cancer，2014;110(5)：1199-210.

17 Lee JK，Park SR，Jung BK，etal.Exosomes derived from mesenchymal stem cells suppress angiogenesis by down-regulating VEGF expression in breast cancer cells〔J〕.Cancer Res，2014;74(12)：170-0.

18 Hong-Chao Z，Xin-Bin L，Shu H，etal.Microvesicles derived from human umbilical cord mesenchymal stem cells stimulated by hypoxia promote angiogenesis both in vitro and in vivo〔J〕.Stem Cell Dev，2012;21(18)：3289-97.

19 Kuwabara Y，Ono K，Horie T，etal.Increased microRNA-1 and microRNA-133a levels in serum of patients with cardiovascular disease indicate myocardial damage〔J〕.Circ Cardiovasc Genet，2011;4(4)：446-54.

20 Sang-Ging O，Won Hee L，Mei H，etal.Response to letter regarding article，cross talk of combined gene and cell therapy in ischemic heart disease：role of exosomal microRNA transfer〔J〕.Circulation，2015;131(12):e385.

21 Aurora AB，Mahmoud AI，Xiang L，etal.MicroRNA-214 protects the mouse heart from ischemic injury by controlling Ca2+overload and cell death〔J〕.J Clin Invest，2012;122(4)：1222-32.

22 van Balkom BW，de Jong OG，Smits M，etal.Endothelial cells require miR-214 to secrete exosomes that suppress senescence and induce angiogenesis in human and mouse endothelial cells〔J〕.Blood，2013;121(19)：3997-4006.

23 Susmita S，Ekaterina K，Tina T，etal.Exosomes from human CD34(+) stem cells mediate their proangiogenic paracrine activity.〔J〕.Circ Res，2011;109(7)：724-8.

24 Gray WD，French KM，Shohini GC，etal.Identification of therapeutic covariant microRNA clusters in hypoxia-treated cardiac progenitor cell exosomes using systems biology〔J〕.Circ Res，2014;116(2)：255-63.

25 Feng YL，Wei H，Mashhood W，etal.Ischemic preconditioning potentiates the protective effect of stem cells through secretion of exosomes by targeting Mecp2 via miR-22〔J〕.PLoS One，2014;9(2)：e88685.

26 Lucio B，Vincenzo L，Elisabetta C，etal.Extracellular vesicles from human cardiac progenitor cells inhibit cardiomyocyte apoptosis and improve cardiac function after myocardial infarction.〔J〕.Cardiovasc Res，2014;103(4)：530-41.

27 Khan M，Nickoloff E，Abramova T，etal.Embryonic stem cell-derived exosomes promote endogenous repair mechanisms and enhance cardiac function following myocardial infarction.〔J〕.Circ Res，2015;117(1):52-64.

28 Sabin K，Nobuaki K.Microvesicles as mediators of tissue regeneration〔J〕.Transl Res J Lab Clin Med，2014;163(4)：286-95.

29 Bian S，Zhang L，Duan L，etal.Extracellular vesicles derived from human bone marrow mesenchymal stem cells promote angiogenesis in a rat myocardial infarction model〔J〕.J Mol Med，2014;92(4)：387-97.

30 Vrijsen KR，Sluijter JPG，Schuchardt MWL，etal.Cardiomyocyte progenitor cell-derived exosomes stimulate migration of endothelial cells〔J〕.J Cell Mol Med，2010;14(5)：1064-70.

31 Vergadi E.Exosomes mediate the cytoprotective action of mesenchymal stromal cells on hypoxia-induced pulmonary hypertension〔J〕.Circulation，2012;126(22)：2601-11.

32 Lina H，Wenya M，Yidi M，etal.Exosomes in mesenchymal stem cells，a new therapeutic strategy for cardiovascular diseases〔J〕?Int J Biol Sci，2015;11(2)：238-45.

33 Cheng Y，Wang X，Jian Y，etal.A translational study of urine miRNAs in acute myocardial infarction〔J〕.J Mol Cell Cardiol，2012;53(5)：668-76.

34 Lai RC，Arslan F，Lee MM，etal.Exosome secreted by MSC reduces myocardial ischemia/reperfusion injury〔J〕.Stem Cell Res，2010;4(3)：214-22.

35 Feng H，Mei-Ling L，Zhen-Fei F，etal.Overexpression of MicroRNA-1 improves the efficacy of mesenchymal stem cell transplantation after myocardial infarction〔J〕.Cardiology，2013;125(1)：18-30.

36 Zhao Y，Sun X，Cao W，etal.Exosomes derived from human umbilical cord mesenchymal stem cells relieve acute myocardial ischemic injury〔J〕.Stem Cell Int，2015;2015：1-12.

37 Ibrahim AG，Cheng K，Marbán E.Exosomes as critical agents of cardiac regeneration triggered by cell therapy〔J〕.Stem Cell Rep，2014;2(5)：606-19.

38 Vicencio JM，Yellon DM，Sivaraman V，etal.Plasma exosomes protect the myocardium from ischemia-reperfusion injury〔J〕.J Am Coll Cardiol，2015;65(15)：1525-36.

39 Yu B，Kim HW，Gong M，etal.Exosomes secreted from GATA-4 overexpressing mesenchymal stem cells serve as a reservoir of anti-apoptotic microRNAs for cardioprotection〔J〕.Int J Cardiol，2014;182C：349-60.

40 Kang K，Ma R，Cai W，etal.Exosomes Secreted from CXCR4 Overexpressing mesenchymal stem cells promote cardioprotection via akt signaling pathway following myocardial infarction〔J〕.Stem Cell Int，2014;(15)：1-14.

〔2016-02-10修回〕

(编辑 曲 莉)

国家自然科学基金(81550036);国家自然科学基金青年基金(81200983)

黄宇理(1972-)，女，副主任医师，硕士生导师，主要从事冠心病心衰的研究。

李东戈(1988-)，男，在读硕士，主要从事冠心病研究。

R363.2

A

1005-9202(2016)22-5744-04；

10.3969/j.issn.1005-9202.2016.22.117

1 华中科技大学