外泌体及其在疾病诊疗中的研究进展

李亚龙，杨舒婷，赵一安，罗云纲，刘国民*

(1.吉林大学第二医院 骨科，吉林 长春130041；2.吉林大学口腔医院 修复科，吉林 长春130021；3.吉林大学第二医院 口腔科，吉林 长春130041)

患者组织和器官损伤在出现临床症状之前就已经出现，常规检测方法往往不能检测其早期损伤，对早期病情演变可靠检测指标的缺乏，使患者的管理越来越复杂。新兴的纳米生物技术通过监测细胞信号传导分子水平的变化，能够较为准确的检测组织和器官早期损伤[1]。从细胞水平了解临床疾病的发生机制有助于患者的治疗，而由旁分泌因子介导的细胞间通讯对不同组织和器官的应激反应的发生起关键作用[2]。外泌体(exosomes)由细胞分泌，是载有DNA、RNA、脂质和蛋白质等生物分子的纳米级信使，通过协调各种细胞的自分泌和旁分泌，介导细胞间通讯、参与免疫调节和其他生理反应[3]。目前对外泌体的研究主要集中在外泌体的功能、在疾病发生和进展中的作用和机制以及能否用于临床疾病的诊疗，在本文中，我们对外泌体的部分研究结果进行了总结，希望为外泌体的深入研究及其临床应用提供参考依据。

1 外泌体的特征

外泌体是胞外分泌前由多囊泡体(multi-vesicular bodies,MVBs)产生的50-100 nm脂质囊泡(extracellular vesicles,EVs)，最初被认为用来收纳细胞不需要的“垃圾”RNA，现在认为是细胞选择性地将特定的非编码RNA和其他生物分子以外泌体形式主动转运到其他细胞[4]。 外泌体可调控基因表达，介导细胞对其微环境的反应，在生理和病理状态下均可介导细胞间通讯[4]。近年来对外泌体功能的研究越来越多，在对其认识越发深入的同时，也促进了其在临床疾病诊疗方面的应用。

在体液中，即使亲代细胞死亡之后，外泌体的水平也保持长期的稳定，这与应激反应中其他细胞因子含量水平的表现不同。迄今为止，在人体多种病理生理条件下[5-7]的外泌体亚群均已确定，不同亚群外泌体功能的有效性取决于外泌体的内容物、组织微环境、供体细胞和受体细胞[8]。外泌体还可以抗原提呈以及抑制或激活免疫反应[3]。

外泌体载有的寡核苷酸(DNA，mRNA，miRNA和非编码RNA等)、蛋白质(热休克蛋白、酶、转录因子等)和代谢物(脂质，乳酸和谷氨酸等[3,9])可提供关于亲代细胞状态的信息，同时可提供其对受体细胞可能产生的影响的线索[10]。外泌体从生理到病理参与许多细胞活动，例如在生理方面可将载有的免疫原性分子(例如CD86，CD40，MHC-Ⅰ，MHC-Ⅱ和Hsp70等)以旁分泌方式将生物信息输送到相邻或远处的细胞，使受体细胞应答产生生理效应，在病理方面可促进肿瘤生长和肿瘤的转移[11,12]。

外泌体来源于多种细胞，可从血液、尿液、腹水等体液和组织器官中提取出来[13]，在体液中的稳定性较高，在疾病的发生和发展过程中担任重要角色。

2 外泌体在疾病诊疗中的作用

清晰疾病的发生和发展机制，有助于促进疾病的诊疗和患者的健康恢复，而外泌体以其独有的生物学特征，参与了多种疾病的发生和发展。随着对外泌体的深入研究，外泌体在疾病诊疗中越来越显示出其所具有的独特优势和潜在价值。

2.1 外泌体在急性心肌梗死(AMI)中的作用

急性心肌梗死(acute myocardial injury,AMI)是导致患者死亡的主要原因之一。当AMI发生后，某些与心肌缺血相关的生物标志物的水平升高，如N末端脑钠肽(NT-pro-BNP)、高敏肌钙蛋白T(hsTnT)和神经肽Y(NPY)等，可能有助于对AMI的检测[14]，但在AMI发生的早期(一般为3小时内)，其水平升高并不明显[15]。与此相反，在AMI早期外周血中的单核细胞即可高度活化，分泌大量载有miRNAs(如miRNA-122,-140-3p、-720、-2861等)的外泌体[16]。因此，可将外周血外泌体miRNAs作为检测早期AMI的临床指标。

此外，当心肌细胞缺氧时，外泌体及其载有的miRNAs(如miRNA-126)呈高表达状态，通过抑制炎性细胞因子，降低心肌细胞损伤，抑制心肌细胞凋亡,并且富含miRNA-126的外泌体能够促进微血管的生成和迁移，抑制纤维化相关蛋白的表达，保留心肌收缩功能，修复受损心肌细胞，促进心脏功能恢复[17,18]。

2.2外泌体在急性肾损伤(AKI)中的作用

急性肾损伤(acute kidney injury,AKI)在ICU中发病率较高，但对其仍缺乏有效的早期诊断方法，因此有学者探索能否将外泌体作为早期AKI的检测指标。研究显示[19,20]，早期AKI患者尿液中的外泌体水平较高，这类外泌体载有G蛋白偶联受体、G5蛋白或者活化转录因子-3(ATF3)等，其中ATF3可在肾脏缺血再灌注损伤后的6小时内、血清肌酐浓度升高到正常上限之前显著升高[20]，与传统的生物标志物相比，外泌体ATF3无疑是检测早期AKI更敏感的指标，可作为AKI损伤的早期诊断生物标志物。

在临床诊疗中，常将尿液中外泌体载有的水通道蛋白-1(AQP-1)和AQP-2的浓度作为肾脏缺血和再灌注损伤的指标[21]。最近发现MSCs分泌的外泌体对甘油或缺血引起的AKI的修复具有促进作用[22]，这可能与该亚群外泌体含有特定的mRNA(如ATF3)有关[23]，ATF3通过下调单核细胞趋化蛋白-1基因在上皮细胞中的表达来抑制巨噬细胞吞噬，减轻肾脏缺血和再灌注损伤，因此通过诱导释放载有ATF3的外泌体可能为AKI的治疗开辟一条新的途径。

2.3外泌体在肿瘤中的作用

肿瘤形成及其治疗的复杂性正日益得到社会认可，多年来肿瘤细胞间通讯的主要媒介归因于肿瘤细胞分泌的蛋白，如生长因子，细胞因子和趋化因子，最新研究表明，外泌体在这一过程中起着关键作用[24]。

肿瘤细胞分泌的外泌体载有肿瘤特异性抗原，如MHC-I、MHC-Ⅱ、癌胚抗原(CEA)和NKG2D等，通过调控T细胞和自然杀伤细胞的细胞毒性，抑制癌细胞[25,26]，因此在肿瘤领域，外泌体与免疫调控之间的相互作用引起了人们的关注。另有研究表明[27]，富含核酸的外泌体可通过MYD88/TRIF信号通路诱导产生INF-1，当肿瘤细胞中Hippo通路激酶LATS1/2缺失或不足，该类型外泌体可抑制肿瘤生长。

外泌体也参与肿瘤细胞的转移过程。肿瘤基质是肿瘤细胞进行转移的限制因素，载有TGF-β的外泌体通过表达α-平滑肌肌动蛋白(α-SMA)，将肿瘤基质中的成纤维细胞诱导分化为肌成纤维细胞[28]，肌成纤维细胞能够释放水解酶或者金属蛋白酶(MMP)，促进结缔组织形成，这是癌症晚期的特征[29]。富含表皮生长因子受体(EGFR)和miR-150等生物分子的外泌体，可诱导血管内皮生长因子(VEGF)及其受体VEGFR-2的表达，促进血管的生成[30,31]。外泌体也能降低肿瘤细胞粘附力、促进肿瘤转移和转移灶的形成[32,33]。

肿瘤形成的病因及其机制复杂，对肿瘤微环境和外泌体在肿瘤形成和进展过程中所担任角色的研究，可能有助于对肿瘤发生机制的深入认识和肿瘤的治疗。

2.4外泌体在药物成瘾中的作用

miRNAs的翻译调控可使神经细胞重塑其突触结构和功能，这促使药物滥用导致的药物成瘾的发生。有研究发现[34]，当神经细胞暴露于酒精时，细胞中miRNA-9的表达迅速增加，其诱导的Ca2+和电压门控K+离子通道表达发生变化，神经细胞对酒精的耐受性增高。在未来的研究中，对外泌体miRNA-9功能的进一步探讨可能有助于解决酒精成瘾症。尼古丁的成瘾性与神经元烟碱型乙酰胆碱受体在大脑中表达的活化有关[35]。在对啮齿类动物给予尼古丁后，外泌体载有的miRNA 542-3p水平降低，中脑边缘通路烟碱型乙酰胆碱受体β2亚基的表达增强[36]，因此外泌体可能成为解决尼古丁依赖症的潜在方法。也有文献报道了外泌体在可卡因、大麻、阿片类药物成瘾中的机制[37-39]。

尽管现有研究已明确药物滥用能够促进外泌体的分泌，但药物滥用对外泌体递送miRNAs的直接影响还没有被充分探索。对药物滥用后的外泌体内容物(包括miRNAs和蛋白质)进行详细分析，是破译外泌体在药物成瘾中的具体作用的关键。外泌体内容物miRNAs和蛋白质的变化，直接影响基因表达和其他生理反应，因此通过观察外泌体与细胞在神经药理学方面的特异性相互作用，有助于治疗中枢神经系统(CNS)疾病，现已有报道将外泌体用于改善CNS潜在的病理生理状况[40]和作为评估病理生理状况下神经损伤程度的诊断标志物[41]。这些研究结果从侧面揭示了外泌体在治疗药物成瘾性方面具有巨大的潜力，因此深入探讨外泌体在药物成瘾性中的作用和药物效应对外泌体分泌的影响，有助于药物成瘾性的治疗。

2.5外泌体在急性肺损伤(ALI)/急性呼吸窘迫综合征(ARDS)中的作用

急性肺损伤(acute lung injury,ALI)和急性呼吸窘迫综合征(acute respiratory distress syndrome,ARDS)是ICU急性呼吸衰竭的主要原因。在最新的研究中发现，外泌体在ALL/ARDS的发生过程中起关键作用。研究显示[42]，从创伤/失血性休克大鼠肠系膜淋巴液分离出的外泌体，通过Toll样受体-4刺激NF-κB活化，并在肺泡巨噬细胞中诱导促炎性细胞因子的产生，在肺组织中使炎症细胞聚集，血管通透性增加，诱发ALI。

外泌体在ALI/ARDS中担任的角色较为复杂，既参与其发生，又能减轻肺组织损伤。Moon等人[43]在ALI/ARDS的小鼠模型中证明，高氧环境下肺上皮细胞分泌的外泌体载有促凋亡因子半胱氨酸天冬氨酸特异性蛋白酶-3(casepase-3)，其通过ROCK-1途径激活巨噬细胞，使促炎性细胞因子和巨噬细胞炎症蛋白2(MIP-2)大量分泌，降低肺损伤。因此通过直接阻断以外泌体为媒介的巨噬细胞—上皮细胞旁分泌相互作用为ALI/ARDS的治疗提供了一条新思路。Zhu等人[44]在ALI小鼠模型中，向小鼠气管内注射源于人间充质干细胞(MSCs)的外泌体，发现其通过诱导角质形成细胞生长因子的上皮表达，抑制肺炎和减轻肺水肿。这些结果表明，外泌体可能成为治疗ALI/ARDS的新型潜在疗法，同时可能用于治疗其他肺部疾病，如哮喘，肺动脉高压和囊性纤维化等[45]。

2.6外泌体在骨代谢中的作用

破骨细胞、成骨细胞、间充质干细胞(mesenchymal stem cells,MSCs)等多种细胞都可分泌外泌体[46]，该外泌体亚群载有骨形态发生蛋白(BMP)1-7、骨钙素(OC)和骨桥蛋白(OPN)等多种信号蛋白和生长因子[47]，以旁分泌因子或内分泌等形式参与骨代谢[48]。破骨细胞的形成和分化受核因子κ B受体活化因子(RANK)及其配体(RANKL)调控，成骨细胞分泌的外泌体含有RANKL，能够诱导含有RANK的破骨细胞前体分化成熟为破骨细胞[46]，破骨细胞及其前体也分泌富含RANK的外泌体，通过RANKL竞争性抑制破骨细胞表面RANK的活化调控自身[49]。MSCs能够大量分泌外泌体[50]，载有的miRNAs(包括miR-21、miR-155、miR210、miR-223、miR-378和let-7e等)是骨代谢中的关键调节剂[51]，如miRNA-223参与破骨细胞形成，且其过度表达抑制破骨细胞分化[52]、miRNA-378促进破骨细胞形成和分化[53]以及let-7和miRNA-140协同参与软骨发育[54]等。外泌体在骨代谢中所具有的重要功能，揭示其在治疗骨代谢疾病方面具有巨大的潜力。现已有研究表明，外泌体可以用于治疗骨性关节炎[55]、双磷酸盐相关的颌骨坏死[56]和修复骨缺损[57,58]。

3 总结

现有的证据已经表明，外泌体参与疾病的发生和发展，因此可将外泌体作为检测多种疾病的生物标志物，用于评估组织和器官的功能障碍。对外泌体的研究和应用为内源性活性物质诊断和治疗临床疾病开辟了一个新的途径。到目前为止，外泌体在检测狼疮性肾炎[59]、卵巢肿瘤[60]、心衰[61]和女性肝癌[62]等临床疾病均取得较好效果。尽管外泌体的临床用途潜力巨大，但任何一种新的诊疗方式都需严格的论证和验证，因此仍需对外泌体进行深入的研究。