外泌体对不同细胞的调控修复作用研究进展

张君涛，王平，张超，尚曼，焦建杰，张栋林，吴超超

(1天津中医药大学第一附属医院，天津300380；2天津医科大学；3天津中医药大学)

外泌体对不同细胞的调控修复作用研究进展

张君涛1，王平1，张超1，尚曼2，焦建杰2，张栋林3，吴超超3

(1天津中医药大学第一附属医院，天津300380；2天津医科大学；3天津中医药大学)

外泌体是一种由细胞分泌至细胞外的膜性囊泡样微体，具有组织细胞信使的功能，在调控细胞生理功能和诱导修复方面具有重要作用。间充质干细胞是体内一类具有增殖、分化潜能的成体干细胞，被认为是产生外泌体能力最强的细胞。外泌体对软骨细胞、神经细胞、肿瘤细胞、心血管细胞等不同细胞均具有调控修复作用，从而发挥抑制软骨细胞退化、促进神经细胞再生、抑制肿瘤细胞增殖、保护心肌细胞和促血管新生，以及诱导基因重组使细胞去分化、重新启动再生功能等作用。外泌体广泛参与细胞之间的物质传递及信号交流，因此推测其可能分泌某些因子来实现损伤组织修复。

外泌体；软骨细胞；神经细胞；肿瘤细胞；调控修复

外泌体是一种由细胞分泌至细胞外、富含特异性微小RNA(miRNA)和转运RNA(tRNA)的膜性囊泡样微体，具有诱导、调控和修复细胞分化、抗肿瘤免疫、促血管新生等生理功能[1～3]。Lai等[4]发现，间充质干细胞(MSC)在分化为不同组织细胞时产生许多囊性功能微泡，并首次证实为间充质干细胞外泌体(MSC-exosomes)。Baglio等[5]通过实验分离由人骨髓和脂肪间充质干细胞分泌的外泌体，并通过电子显微镜标记、蛋白分析、小RNA测序等方法证实人骨髓和脂肪间充质干细胞分泌的外泌体富含特异性miRNA和tRNA。外泌体通过三种方式作用于靶向细胞[6]：①直接与靶细胞的细胞膜融合，同时释放mRNA、miRNA进入细胞质；②通过内吞作用被靶细胞摄取；③识别细胞表面的特异性受体。不同类型的组织、细胞均可释放外泌体，现已证实可以分泌外泌体的细胞有肥大细胞、淋巴细胞、树突状细胞、肿瘤细胞、MSC等[7,8]，其中MSC被认为是产生外泌体能力最强的细胞[9]。本文就外泌体对软骨细胞、神经细胞、肿瘤细胞、心血管细胞等不同细胞的调控修复作用作一综述。

1 外泌体对软骨细胞的调控修复作用

肌肉有助于维持关节功能，可通过关节软骨周围分泌滑液为关节面提供营养支持。Olivier等[10]认为，细胞损伤修复不仅靠细胞的自身修复能力，还需要为细胞再生修复提供一个合适的“微环境”，同时需要为新生细胞构建一个大小和形状合适的支架结构。例如骨组织和软骨组织的修复、心血管的修复与替代，均需要结构的支持。在一个健康的组织中，细胞外基质中的外泌体在诱导和调控过程中具有非常重要的作用。Liu等[11]认为，MSC能分泌IL-10、吲哚胺2,3双加氧酶(IDO)、转化生长因子β1(TGF-β1)等不同的细胞因子，从而有效抑制成纤维样滑膜细胞的增殖和外泌体分泌，并分泌前列腺素E2(PGE2)、NO等细胞因子，降低T细胞免疫应答，以减少关节面侵蚀。该研究还发现，MSC-exosomes的分泌可减少TNF-α、IL-6、MCP-1等促炎因子生成，这种免疫炎症抑制效应有助于受损关节的修复。Tooi等[12]在成人皮肤成纤维细胞增殖中加入胚胎干细胞外泌体，并采用碱性磷酸酶染色和茜素红染色证实其具有促进成纤维细胞分化为成骨细胞和成脂细胞的能力，其机制可能与胚胎干细胞外泌体可升高八聚体结合转录因子4(OCT4)和NANOG同源框基因(NANOG)mRNA在成纤维细胞中的表达有关。Ann等[13]对正常及骨性关节炎关节软骨微囊泡进行蛋白组学分析，结果发现在正常关节软骨微囊泡中有超过1 700种蛋白质，其中近170种蛋白质符合常用标志范畴，包括肌动蛋白、磷脂结合蛋白、细胞外基质成分、酶、细胞支架成分等，但是在关节炎软骨微囊泡中没有发现上述特异性蛋白。Jos等[14]认为，外泌体在关节内软骨修复方面具有非常广阔的前景。

2 外泌体对神经细胞的调控修复作用

神经细胞功能的完整性依赖于精细调节的细胞-细胞间相互作用及支持，外泌体是中枢神经系统神经细胞网络交流的重要方式，不仅能够运输特异性生物活性分子、传导和维持神经信号，对于病理性蛋白异构体和核酸的异常迁移也具有调节作用。Faure等[15]分离孕16 d的胎鼠大脑皮层进行体外培养，首次发现神经元可分泌外泌体，并发现高浓度K+刺激可促进神经元外泌体分泌，提示外泌体的分泌受细胞去极化调控。此外，外泌体可促进中风后神经细胞再生，并抑制缺血性免疫反应。Xin等[16]研究认为，外泌体可以为中风患者临近神经细胞传送功能蛋白和基因物质，并且具有促进组织再生的能力，其机制可能与外泌体传递miRNA有关。Yang等[17]在斑马鱼脑肿瘤模型中借助脑内皮细胞外泌体携带抗肿瘤药物，证实外泌体可顺利通过血脑屏障并发挥抗肿瘤作用。上述研究均表明外泌体在神经细胞修复中具有重要作用，随着对外泌体研究的深入，我们对中枢神经细胞发育、功能和细胞间通讯的认识更加深刻，同时为临床诊断和治疗神经系统疾病提供思路。

3 外泌体对肿瘤细胞的调控修复作用

临床上关于外泌体具有抗肿瘤免疫作用的研究很多，但是也有研究证实了外泌体在介导肿瘤免疫逃避中的作用。Hood等[18]研究证实，黑色素瘤细胞来源的外泌体可作为信使先行到达预转移的淋巴结，调控局部微环境，并促进肿瘤向该位置的靶向转移。Lou等[19]采用miR-122转染脂肪间充质干细胞并提取被转染干细胞分泌的外泌体，结果显示外泌体能有效将miR-122包裹其中，并调节miR-122在脂肪间充质干细胞和肝癌细胞转达，提高癌细胞对化疗的敏感性。Ji等[20]研究发现，人MSC-exosomes可以激发胃癌细胞中钙离子依赖蛋白激酶或钙调蛋白激酶(CaM-Ks)和Ras/Raf/MEK/ERK信号级联通路(Raf/MEK/ERK)的活性，并引起瀑布反应，阻断CaM-Ks/Raf/MEK/ERK途径能抑制MSC-exosomes在化学药物抵抗中的作用。MSC-exosomes修饰胃癌细胞在药物抵抗发生中具有重要意义，其与癌细胞之间的互相联系亦可能与胃癌化疗疗效有关。研究发现，外泌体能够将另一重要抑癌基因PTEN输送到靶细胞中，并促进其发挥磷酸酶活性，通过阻断促进细胞存活的Notch-1信号通路而抑制肿瘤细胞增殖[21]。一项关于热休克小鼠抗肿瘤免疫过程的研究发现，B淋巴瘤细胞分泌的外泌体富含HSP70和 HSP90，使得小鼠的抗肿瘤免疫能力得到强化，提示MSC-exosomes可能在抗肿瘤免疫治疗过程中具有重要意义[22]。

4 外泌体对血管内皮细胞的调控修复作用

外泌体与心血管疾病发病机制关系密切，从缺血预调或各种干细胞中收集的外泌体均能发挥心肌保护作用，具有潜在治疗心血管疾病的功能。Teng等[23]研究发现，MSC-exosomes可以明显加强人脐静脉内皮细胞的管状框架。体外实验进一步发现，MSC-exosomes能通过抑制细胞增殖而降低T细胞功能，缩小心肌梗死面积，提高心脏收缩与舒张功能；证实MSC可以通过释放外泌体来调控血管再生、发挥抗炎作用，从而改善心肌梗死的微环境[23]。Matsumoto等[24]研究发现，外泌体中p53-反应性miRNA(如miR-192、miR-194和miR-34a)表达明显升高的急性心肌梗死恢复期患者心肌梗死后1年内心衰发生率更高，提示检测外泌体中所含p53-反应miRNA有助于预测急性心肌梗死后心衰的发生。Lee等[25]在缺氧诱导的肺动脉高压小鼠模型中发现，外泌体可减轻小鼠肺组织炎性反应及血管重塑，降低右心衰竭发生率。Yu等[26]研究显示，由MSC分泌的外泌体具有对心肌保护功能，并有助于受体细胞靶蛋白表达；其机制可能与外泌体表达转录因子GATA-4有关。GATA-4在损害组织中迁移并通过释放多种miRNA激活细胞生存信号通路，从而发挥调节保护作用。此外，休克患者的外泌体可增加体外培养血管内皮细胞及平滑肌细胞的活性氧化产物生成，导致细胞凋亡率升高，提示外泌体在感染性休克中可介导血管损伤[27～29]。因此，对外泌体的进一步研究将有助于更系统和准确地了解其与血管内皮细胞之间的信号转导机制、心脏疾病的转归过程，对心脏疾病的诊治、预防具有重要意义。

综上所述，外泌体富含重要的蛋白和基因，具有调控和诱导修复受损组织细胞的功能。不同MSC通过不同的方法刺激可以分泌不同的外泌体，而不同的外泌体具有不同的种属、活化状态及信号特征，对靶细胞的调控及诱导修复作用也不同，如何调控外泌体的分泌及其对靶组织细胞的相关作用将是今后的主要研究方向。外泌体所含活性物质较多，对靶组织细胞的作用机制较复杂，以往关于其机制的研究多集中在单一因素，多种机制的相互作用并不明确，仍需深入研究。此外，关于外泌体的研究主要体现在制备具有特定靶向作用的抗肿瘤疫苗，但其抗肿瘤作用具体是增强免疫还是引起耐受，是促进细胞增殖还是诱发细胞凋亡，其内在机制仍需深入探讨。

[1] Pan BT, Johnstone RM. Fate of the transferrin receptor during maturation of sheep reticulocytes in vitro: selective externalization of the receptor[J]. Cell, 1983,33(3):967-978.

[2] Sokolova V, Ludwig AK, Homung S, et al. Characterisation of exosomes derived from human cells by nanoparticle tracking analysis and scanning electron microscopy[J]. Colloids Surf B Biointerfaces, 2011,87:146-150.

[3] Schneider A, Simons M. Exosomes: vesicular carriers for intercellular communication in neurodegenerative disorders[J]. Cell Tissue Res, 2013,352(1):33-47.

[4] Lai RC, Arslan F, Lee MM, et al. Exosome secreted by MSC reduces myocardial ischemia /reperfusion injury[J]. Stem Cell Res, 2010,4(3):214-222.

[5] Baglio SR, Rooijers K, Koppers-Lalic D, et al. Human bone marrow- and adipose-mesenchymal stem cells secrete exosomes enriched in distinctive miRNA and tRNA species[J]. Stem Cell Res Ther, 2015,6 (1):117-123.

[6] Cocucci E, Racchetti G, Meldolesi J. Shedding microvesicles: artefacts no more[J]. Trends Cell Biol, 2009,19:43-51.

[7] Mineo M, Garfield SH, Taverns S, et al. Exosomes released by K562 myeloid leukemia cells promote angiogenesis in a Src-dependent fashion[J]. Angiogenesis, 2012,15(1):33-45.

[8] Chen TS, Lai RC, Lee MM, et al. Mesenchymal stem cell secretes microparticles enriched in pre-microRNAs[J]. Nucleic Acids Res, 2010,38(1):215-224.

[9] Yeo RW, Lai RC, Zhang B, et al. Mesenchymal stem cell: an efficient mass producer of exosomes for drug delivery[J]. Adv Drug Deliv Rev, 2013,65(3): 336-341.

[10] Olivier G, Jong De, Bas WM. et al. Extracellular vesicles: potential roles in regenerative medicine[J]. Front Immunol, 2014:5:608-613.

[11] Liu Y, Mu R, Wang S, et al. Therapeutic potential of human umbilical cord mesenchymal stem cells in the treatment of rheumatoid arthritis[J]. Arthritis Res Ther, 2010,12 (6):210-215.

[12] Tooi M, Komaki M, Morioka C, et al. Placenta mesenchymal stem cell derived exosomes confer plasticity on fibroblasts[J]. J Cell Biochem, 2015,7(11):156-164.

[13] Ann K, Rosenthal MD, Claudia M, et al. Proteomic analysis of articular cartilage vesicles from normal and osteoarthritic cartilce[J]. Arthritis Rheum, 2011,63(2):401-411.

[14] Jos M, Janneke B, Chris HA, et al. Extracellular vesicles-new tool for joint repair and regeneration[J]. Nat Rev Rheumatol, 2016,12(4):243-249.

[15] Faure J, Lachenal G, Court M, et al. Exosomes are released by cultured cortical neurones[J]. Mol Cell Neurosci, 2006,31(4):642-648.

[16] Xin H, Li Y, Chopp M. Exosomes/miRNAs as mediating cell-based therapy of stroke[J]. Front Cell Neurosci, 2014,10(8):377.

[17] Yang T, Martin P, Fogarty B, et al. Exosome delivered anticancer drugs across the blood-brain barrier for brain cancer therapy in Danio rerio[J]. Pharm Res, 2015,32 (6):2003-2014.

[18] Hood JL, San RS, Wickline SA. Exosomes released by melanoma cells prepare sentinel lymph nodes for tumor metastasis[J]. Cancer Res, 2011,71( 11):3792-3801.

[19] Lou G, Song X, Yang F, et al. Exosomes derived from miR-122-modified adipose tissue-derived MSCs increase chemosensitivity of hepatocellular carcinoma[J]. J Hematol Oncol, 2015,8(1):122.

[20] Ji R, Zhang B, Zhang X, et al. Exosomes derived from human mesenchymal stem cells confer drug resistance in gastric cancer[J]. Cell Cycle, 2015,14(15)2473-2483.

[21] Putz U, Howitt J, Doan A, et al. The tumor suppressor PTEN is exported in exosomes and has phosphatase activity in recipient cells[J]. Sci Signal, 2012,243(5):70.

[22] Azmi AS, Bao B, Sarkar FH. Exosomes in cancer development,metastasis,and drug resistance: a comprehensive review[J]. Cancer Metastasis Rev, 2013,32(3-4):623-642.

[23] Teng X, Chen L, Chen W, et al. Mesenchymal stem Cell-Derived exosomes improve the microenvironment of infarcted myocardium contributing to angiogenesis and Anti-Inflammation[J]. Cell Physiol Biochem, 2015,37(6):2415-2424.

[24] Matsumoto S, Sakata Y, Suna S, et al. Circulating p-53-responsivemicroRNA are predictive indicators of heart failure after acute myocardial infarction[J]. Circ Res, 2013,113(3):322-326.

[25] Lee C, Mitsialis SA, Aslam M, et al. Exosomes mediate thecytoprotective action of mesenchymal stromal cells on hypoxia-induced pulmonary hypertension[J]. Cirulation, 2012,126(22):2601-2611.

[26] Yu B, Kim HW, Gong M, et al. Exosomes secreted from GATA-4 overexpressing mesenchymal stem cells serve as a reservoir of anti-apoptotic microRNAs for cardioprotection[J]. Int J Cardiol, 2015,182(1):349-360.

[27] Shabbir A, Cox A, Rodriguez-Menocal L, et al. Mesenchymal stem cell exosomes induce proliferation and migration of normal and chronic wound fibroblasts, and enhance angiogenesis in vitro[J]. Stem Cells Dev, 2015,24(14):1635-1647.

[28] Nakamura Y, Miyaki S, Ishitobi H, et al. Mesenchymal-stem-cell-derived exosomes accelerate skeletal muscle regeneration[J]. FEBS Lett, 2015,589(11):1257-1265.

[29] Wang R, Lin M, Li L, et al. Bone marrow mesenchymal stem cell-derived exosome protects kidney against ischemia reperfusion injury in rats[J]. Zhonghua Yi Xue Za Zhi, 2014,94(42):3298-3303.

[30] Camussi G, Deregibus MC, Bruno S, et al. Exosomes/microvesicles as a mechanism of cell- to-cell communication[J]. Kidney Int, 2010,78(9):838-848.

[31] Bruno S, Grange C, Deregibus MC, et al. Mesenchymal stem cell-derived microvesicles protect against acute tubular injury[J]. J Am Soc Nephrol, 2009,20(5):1053-1067.

国家自然科学基金资助项目(51573137)。

张超(E-mail： zhangchao2004.love@163.com)

10.3969/j.issn.1002-266X.2017.44.034

R34

A

1002-266X(2017)44-0104-03

2017-06-26)