心脏干细胞源外泌体中microRNA对心脏的保护作用

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心血管疾病是当前导致人类死亡的主要原因之一，由于缺乏创新药物和器官移植的局限性，现有的治疗心血管疾病的方法虽能延缓疾病进展、延长病人的寿命，却不能修复和再生受损的心肌，再生能力有限可导致心肌细胞损失引起心脏泵功能损害，因此干细胞在心脏修复和再生方面有着巨大的前景[1]。心脏干细胞(cardiac stem cells，CSCs)来源于自体组织，能够避免异体移植排斥效应，有较低的致瘤率、致畸率、致心律失常率，是心脏保护和修复的最佳干细胞类型之一，但由于干细胞移植的生存率非常低，注射或移植的干细胞仅在非常短的时间内保留在治疗部位，甚至移植后很难在心脏中发现，导致移植干细胞的治疗功效降低，因此干细胞衍生的外泌体(exosomes)成了一个潜在的治疗新策略[2]。外泌体中的microRNA可通过自分泌或旁分泌的方式作用于自身或远隔的靶细胞，进而调控心脏功能，在心血管疾病的治疗中起着重要作用。现从心脏干细胞源的外泌体、microRNA、对心脏的保护作用以及研究展望几个方面进行综述如下。

1 心脏干细胞源的外泌体

心脏干细胞是一类存在于心脏组织内可以自我更新及克隆增殖的、具有多种表型的细胞，表达早期心肌细胞系的转录因子(Nkx2.5，GATA- 4，Mef- 2)，能够减少心肌梗死后的瘢痕、增加心肌活力、减少左室重构、促进血管新生、调节炎症反应、修复心肌组织，从而改善心功能。但是干细胞移植的效率受到细胞保留率低的限制[3]，只有一小部分(<3%)注入的干细胞进入受体心肌[4]，目前的研究认为，心脏干细胞移植更多的保护作用主要得益于旁分泌机制[5]，而非直接分化成心肌细胞或血管内皮细胞，移植的干细胞在损伤部位释放作用因子从而促进心肌细胞的增殖存活和血管新生，增加心脏功能，这些旁分泌机制可诱发移植干细胞在心脏中持续至少1年的增殖反应。

在旁分泌过程中能分泌出多种旁分泌因子，这些因子对心肌的修复起着重要作用，外泌体是干细胞旁分泌效应中发挥主要作用的因子，代表干细胞的生物活性成分。外泌体为直径在(40～100) nm的细胞衍生囊泡样小体[6]，由细胞内内溶酶体微粒内陷形成，存在于血液、尿液、唾液、腹水等生物体液中。不同类型的细胞在正常或病理状态下均可分泌外泌体[7]，其包含类似表面蛋白受体、脂质mRNA、微小RNA和转录因子等，由于来源不同有其特异性。当多细胞体与质膜融合或直接从质膜释放时，外泌体从细胞释放，其可以在不同细胞之间运输并影响受体细胞中的生理途径[8]。由于外泌体的膜性结构能阻止血清中的蛋白酶对其携带的蛋白分子如细胞因子等的降解，所以可作为体内细胞之间信息传递的载体，外泌体囊泡上也有特异的细胞结合位点，能够与细胞膜相融合，将囊泡内的物质转运入靶细胞。

心脏干细胞衍生的外泌体不仅可避免干细胞移植时畸胎瘤的形成、免疫反应、细胞增殖分化有限等问题，同时提供生长因子等细胞保护因子，能够抗凋亡、抗纤维化，促进血管生成，增强心肌分化，修复受损组织，即外泌体可产生细胞疗法对损伤后心肌修复的有益作用。Barile 等[9]发现人类心脏干细胞分泌的外泌体可将心脏干细胞中有改善心肌损伤作用的因子传递给心肌细胞，增强内源性心肌干细胞的激活与增殖，促进血管新生，调控心脏炎症反应，保护并修复心肌组织。Giricz 等[10]发现缺血预处理可以诱导分泌更多的外泌体，进而减小心肌梗死面积。

2 心脏干细胞源外泌体与microRNA

外泌体含有大量与其结构和功能密切相关的microRNA和蛋白质，外泌体作为一种亚细胞结构有其独特的生物学特征。外泌体可通过四种主要的旁分泌方式将信息传递至靶细胞，即外泌体膜的配体可以激活受体或下游的信号通路、外泌体内含有活化的受体可以在细胞之间转运、外泌体内含有蛋白质可以进行蛋白质的传递、外泌体内含有microRNA或RNA可以进行遗传物质的传递。外泌体转移的蛋白和RNA等[11]，特别是microRNA可通过自分泌或旁分泌的方式作用于自身或远隔的靶细胞并调节其功能，既能促进或抑制心肌细胞的凋亡，也能调控活性氧所致的心脏病，并在细胞自主和非细胞自主方式中发挥强有力的血管生成控制作用，同时参与心脏重塑过程，对心血管疾病的治疗至关重要。Shao 等[12]的研究发现干细胞分泌的外泌体治疗效果优于干细胞，microRNA测序结果表明外泌体和干细胞有类似的microRNA表达谱，这可能是外泌体可以取代干细胞进行心脏修复的原因之一，而外泌体表达的microRNA也有异于干细胞，可以产生更好的治疗效果。

microRNA是由18～24个核苷酸组成的内源性RNA，在基因转录后水平调控目的基因，通过抑制microRNA转录或促进，microRNA降解来调控基因表达，从而建立一个基本的调控网络。microRNA与心血管疾病的治疗息息相关，例如microRNA- 146可通过抑制促炎症途径抑制内皮细胞活化来抑制局部缺血/再灌注损伤[13]，miR- 126可改善心肌新生血管的形成[14]等。

3 microRNA对心脏的保护作用

心脏干细胞源外泌体的microRNA对心脏具有保护作用，主要包括其可以减少心肌细胞凋亡、促进血管生成和减少纤维化等。由于microRNA种类、处理方式等的不同，其对心脏的作用与效果也有所差别。例如心脏干细胞源外泌体中的miR- 222可影响心肌细胞凋亡和抗迁移[15]，miR- 320有诱导心肌细胞增殖和刺激血管生成的作用[16- 17]，miR- 146a[18]、miR- 185[19]则与抗纤维化相关。

3.1 减少心肌细胞凋亡 心肌细胞凋亡可影响心脏功能，心肌梗死时心肌细胞的凋亡可导致心室重塑和心力衰竭，心脏干细胞源外泌体分泌的microRNA是心脏保护和再生的关键因素，可减少心肌细胞的凋亡。Xiao等[20]发现氧化应激能诱导心脏干细胞分泌更多的外泌体，在两组不同处理来源的外泌体中都能检测到6种凋亡相关的miRNA，但只在氧化应激诱导的外泌体中能检测到miR- 21显著上调，氧化应激还导致H9C2心肌细胞的miR- 21低表达，miR- 21/PDCD4信号轴对H9C2细胞抗凋亡起重要作用，这些结果表明心脏干细胞来源的外泌体miR- 21通过下调PDCD4，对细胞凋亡通路起着抑制作用，用这种外泌体修复miR- 21/PDCD4通路，可以保护心肌细胞，抵御氧化应激引起的凋亡。Chen 等[21]发现心脏干细胞来源的外泌体高表达miRNA- 451，可以作为一种非细胞的载体保护缺血再灌注损伤，TUNEL染色显示与对照组相比凋亡细胞减少了53%，明显抑制了心肌缺血再灌注损伤诱导的细胞凋亡，同时miR- 451簇主要受到心脏发育早期表达的关键转录因子GATA- 4的调节。

3.2 促进血管生成 血管新生是机体对缺氧缺血损伤的代偿机制和修复方式，能促进缺血心肌生长出新的有供血能力的小血管，建立起有效的侧支循环，达到恢复缺血心肌的血供。Ibrahim 等[18]在免疫缺陷小鼠中诱导急性心肌梗死，然后将心脏干细胞源的外泌体注入心肌梗死边界区，在注射后15 d和30 d，与对照组相比，外泌体处理的心脏瘢痕减少，存活质量增加，梗死壁厚度增加，心脏中炎性细胞因子水平也较低，进一步实验发现外泌体内含有明显的microRNAs补体，特别是miR- 146a的富集，抑制了细胞凋亡并促进心肌细胞的增殖，同时增强血管生成。Barile 等[22]发现由心脏干细胞分泌的外泌体中最高度富集的miRNA包括miR- 210和miR- 132，miR- 210通过下调其靶标ephrin A3和PTP1b抑制心肌细胞凋亡，miR- 132则可下调其靶标RasGAP- p120增强内皮细胞中新生血管的形成，改善左室射血分数。

3.3 减少纤维化 心肌纤维化是以成纤维细胞过度增殖、胶原过度沉积及异常分布为特征的，纤维化是心肌梗死后心脏间质重构最重要的病理过程之一，心肌梗死后的炎症反应可造成纤维细胞、平滑肌细胞增生，使得动脉壁变厚、管腔狭窄，参与心脏重塑和心衰等病理生理过程。Vandergriff等[23]发现心脏干细胞衍生的外泌体所携带的miRNA可通过抑制转化生长因子- β(TGF- β)信号通路降低纤维化并减少细胞凋亡。Gray 等[24]在评估心脏干细胞分泌的外泌体对心脏内皮细胞和心脏成纤维细胞的血管生成和抗纤维化作用的研究发现，缺氧预处理的心脏干细胞分泌的外泌体与在正常氧条件下生长的外泌体相比上调了11种miRNA，特别是miR292，miR103，miR17的上调增强了其改善心脏功能的作用、增强内皮细胞的形成、降低TGF- β刺激的成纤维细胞中的促纤维化基因表达，并减少了纤维化。Agarwal等[25]发现来源于新生儿的心脏干细胞衍生的外泌体microRNA可介导心肌修复，研究中将分离的外泌体输送至缺血再灌注损伤的无胸腺大鼠中，心肌梗死后3 d、28 d超声心动图显示心功能都有显著改善，血管生成增加，染色显示纤维化减少；另外年龄和微环境中的氧含量可影响人心脏干细胞源的外泌体作用效果。

4 展 望

心脏干细胞具有多能分化潜力，能够分化为心肌细胞、内皮细胞及血管平滑肌细胞等多种细胞，对心脏损伤后修复有重要意义，心脏病变时心脏干细胞增殖分化，参与心脏损伤修复，以心脏干细胞为基础的治疗方法为心脏修复损伤提供了新的途径。但移植细胞的高死亡率、移植的途径及移植细胞带来的风险仍是限制干细胞在临床应用的主要问题。心脏干细胞来源的外泌体作为一种非细胞的治疗手段可很好地避免这些问题，外泌体内含有的大量与其结构和功能密切相关的miRNA可通过自分泌或旁分泌的方式作用于靶细胞，修复受损心肌。但microRNA对心肌细胞的保护机制、路径等仍有待进一步的研究；同时，不同种microRNA的基因靶标也存在细微差别，如何进行特异性调节、为心血管疾病的治疗提供新的帮助也需深入的研究。

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