外泌体在糖尿病中的研究进展

余雯倩，邓凡，李清，王贤裕

(湖北医药学院附属十堰市太和医院麻醉科，湖北 十堰442000)

糖尿病是全球常见的疾病之一，据统计，在世界范围内糖尿病患者人数已经从1980年的1.08亿人上升至2014年的4.22亿人，发病率从4.7%增加至8.5%，呈显著上升趋势[1]。糖尿病各种并发症以及治疗的不良反应在很大程度上影响着患者的生活质量，威胁着患者的生命健康。糖尿病已经成为一个严重的全球公共卫生问题。目前临床治疗糖尿病的方法有限，主要是利用药物将血糖控制在一个相对稳定的水平。与传统的血清或尿液等生物标志物相比，外泌体作为生物标志物具有更好的稳定性。但不同细胞来源的外泌体目前尚无明确的特征和标记进行区分，且由于难以在不干扰内源性外泌体功能的情况下标记内源性外泌体、跟踪其动态运动和定义靶细胞，在体内检测外泌体的作用非常复杂，这些均导致外泌体的临床应用受到一定限制[2]。近年来，外泌体在糖尿病及其并发症中的作用为研究的重点。对于外泌体的研究，一方面可以为糖尿病的早期诊断提供新的生物标志物，另一方面，通过对外泌体在代谢应激条件下启动的通路进行分子解剖，有助于对糖尿病及其相关代谢性疾病的病理生理学进行更深入的了解[3]。现就外泌体在糖尿病中的研究进展予以综述。

1 外泌体与糖尿病

细胞外囊泡是由细胞释放的，直径为30～40 nm到8～9 μm具有膜结构的囊泡的统称；根据生物合成或释放途径不同，细胞外囊泡又可分为凋亡小体、微囊泡和外泌体等[4]。其中，凋亡小体由经历程序性细胞死亡的细胞释放；微囊泡产生于质膜剥离；外泌体是直径为30～150 nm的膜囊泡，来源于晚期内体途径，由多泡体与质膜融合后释放到细胞外空间，通过传递微RNA(microRNA，miRNA)、蛋白质、长链非编码RNA、环状RNA和DNA，介导相邻或远端细胞之间的信号转导，发挥抗炎、抗肿瘤作用[5-8]。几乎所有的细胞均可分泌外泌体[9]。

外泌体天然存在于血液、唾液、尿液、脑脊液和母乳等体液中，从各种样品中分离鉴定出外泌体可以为后期的实验和临床诊治提供帮助。目前，已经发现5种外泌体分离方法，分别是超高速离心法、基于尺寸分离法、聚合物沉淀法、免疫亲和捕获法和微流体衍生法[10]。外泌体最初是通过超离心的方法分离出来的，虽然这种方法目前仍是外泌体分离的金标准，但其他方法可以弥补与超离心法相关的不足[11]。连续使用多种分离方法可进一步提高某一特定所需外泌体的含量，但这也导致成本、时间和技术培训的增加，故临床应用前景有限[12]。透射电子显微镜、扫描电子显微镜、冷冻电子显微镜和原子力显微镜可用于观察外泌体表面的形态和结构，而蛋白质免疫印迹实验、胰蛋白酶消化、流式细胞术、质谱分析和酶联免疫分析技术则可以更好地了解外泌体的组成结构[13]。

在高血糖环境下，外泌体在1型糖尿病(type 1 diabetes mellitus，T1DM)和2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus，T2DM)的病理过程中均发挥着重要作用，如缓解免疫细胞对胰腺组织的损伤反应以及抑制脂肪细胞对骨骼肌或肝脏胰岛素的抵抗作用等[14]。此外，有报道，含有外泌体的miRNAs和长链非编码RNA在糖尿病的病理过程中参与了器官间的通讯调控功能，包括影响靶组织的代谢信号和胰岛素信号、细胞活力以及调节炎症性胰腺细胞等[15]。外泌体在糖尿病的诊治过程中发挥着重要作用，对外泌体的研究可以为糖尿病的早期诊断提供指导，并为临床治疗提供新的思路。

1.1外泌体与T1DM T1DM是T细胞介导的与胰岛β细胞破坏相关的慢性自身免疫性疾病，由于患者自身合成的胰岛素减少，需要大量的外源性胰岛素进行治疗[16]。研究发现，胰岛β细胞的破坏与外泌体介导的特定miRNAs转移有关，即淋巴细胞释放的携带有miR-142-3p、miR-142-5p和miR-155的外泌体作用于胰岛β细胞，进而导致胰岛素分泌细胞选择性的死亡[6]。此外，有研究发现，当人和大鼠的β细胞处于炎症环境中，β细胞分泌的外泌体会携带被抗体识别的β细胞蛋白，进而激活免疫细胞对β细胞的攻击反应[17]。然而，Mahdipour等[18]的研究结果表明，反复多次给予经血来源的间充质干细胞源性外泌体，可增强糖尿病动物胰腺中胰岛β细胞的数量并增加胰岛素的产生。此外，有研究指出，外泌体可诱导产生胰岛β细胞，从而分泌胰岛素，降低糖尿病患者的血糖[19]。由此可见，不同来源的外泌体可对T1DM的病程产生不同的影响，仍需进一步研究探讨。

1.2外泌体与T2DM T2DM是一种与生活方式、环境和遗传有关的复杂性疾病，既有胰岛β细胞功能的紊乱，又有胰岛素抵抗的发生。流行病学显示，我国T2DM呈年轻化趋势，且发病率居世界首位[20]。有研究证实，肥胖和T2DM患者血清外泌体水平升高提示外泌体可能与T2DM的病程有关[21]。外泌体与T2DM的关系极其复杂，一方面，肥胖脂肪组织释放出的外泌体不仅能通过miR-141-3p显著抑制肝细胞对胰岛素的敏感性和对葡萄糖的摄取，而且由胰腺癌细胞衍生的外泌体可通过胰岛素和磷脂酰肌醇3-激酶/蛋白激酶B/叉头框转录因子O1信号通路介导骨骼肌细胞对胰岛素的抵抗，即 “有害的”外泌体可导致胰岛素抵抗[22-23]；另一方面，骨髓间充质干细胞来源的外泌体中的miR-29b-3p可改善免疫球蛋白相关的胰岛素抵抗，可作为胰岛素抵抗治疗的靶点[22]；此外，Nair等[24]从正常糖耐量志愿者和妊娠期糖尿病患者的绒毛组织中分离出外泌体，结果发现，来自正常糖耐量志愿者胎盘的外泌体增加了糖尿病患者骨骼肌对胰岛素的迁移和葡萄糖的摄取；Sun等[25]研究证明，静脉输注人脐带间充质干细胞来源的外泌体可降低T2DM大鼠的血糖水平，恢复T2DM的葡萄糖稳态，缓解T2DM中的胰岛素分泌功能障碍，即“有利的”外泌体可缓解胰岛素抵抗。综上所述，不同来源的外泌体由于携带的信号分子不同，对糖尿病的发展产生双向调节作用，不仅有有利的一面，也有有害的一面。

2 外泌体与糖尿病并发症

糖尿病的微血管和大血管并发症可发生于糖尿病的早期，且是造成糖尿病患者死亡的主要因素[26]。目前糖尿病血管并发症的机制尚未完全阐明，临床的治疗主要是降低血糖和控制血压，但这些治疗方法并不完全有效[27]。因此，有效防治糖尿病并发症一直是临床工作者面临的一大难题。

2.1外泌体与糖尿病心肌并发症 糖尿病心肌病是糖尿病常见的并发症，也是糖尿病患者死亡的主要原因，占糖尿病死亡人数的60%以上[28]，可能与内皮功能障碍、心肌细胞肥大、坏死、凋亡以及间质纤维化的增加有关。Hu等[29]研究显示，在糖尿病状态下，心脏微血管内皮细胞释放的外泌体携带着有害的哺乳动物STE20样激酶1，哺乳动物STE20样激酶1不仅能够抑制高糖培养的心肌细胞中的葡萄糖转运蛋白-4发生膜转位，使心肌细胞葡萄糖摄取减少，参与胰岛素抵抗，而且可以放大心肌细胞损伤，使心肌细胞接收到疾病信号进一步加剧心肌细胞凋亡，从而损害心脏功能。此外，有研究证实，胚胎干细胞来源的外泌体含有miRNA，可促进心肌细胞增殖、分化和血管再生，并抑制细胞凋亡和炎症，被广大科研工作者视为一种很有前景的促进心肌再生的方法[30]。因此，外泌体在糖尿病心肌病病程中发挥着一定的作用，有可能为临床诊治提供新的方法。

2.2外泌体与糖尿病脑血管并发症 肥胖和T2DM均与脑损伤密切相关[31]。阿尔茨海默病是导致老年患者痴呆的主要原因，其病因目前尚不清楚，但有研究证实，T2DM和其他糖尿病前期的胰岛素抵抗状态可能导致阿尔茨海默病[32]。Mullins等[33]研究表明，与脑胰岛素抵抗相关的外泌体生物标志物与阿尔茨海默病的脑萎缩有关。此外，有研究指出，骨髓间充质干细胞衍生的外泌体可治疗糖尿病引起的大脑认知功能障碍，富足的生存环境可刺激内源性骨髓间充质干细胞来源的外泌体miR-146a表达增加，对受损的星形胶质细胞产生抗炎作用，可预防糖尿病引起的大脑认知功能损害[34]。因此，外泌体可能是一种很有前景的、治疗糖尿病引起的大脑功能障碍的方法，需要进一步研究探讨。

2.3外泌体与糖尿病肾病(diabetic nephropathy，DN) 在糖尿病患者中有20%～40%并发DN[35]。DN已成为终末期肾病的主要病因之一。目前临床上诊断 DN的方法主要是测量血清肌酐和尿素水平，但这些指标对早期诊断DN缺乏特异性。尿细胞外泌体含有丰富的蛋白质和核酸，与肾功能及DN的进展均有相关性，是早期诊断DN的重要生物标志物，在DN的早期诊断方面有很好的应用前景[36-37]。外泌体不仅参与DN的早期诊断环节，而且可以改善DN的相关症状。在大鼠DN模型中，间充质干细胞来源的外泌体不仅可以通过上调自噬水平，抑制与自噬相关的哺乳动物雷帕霉素靶蛋白通路，通过间充质干细胞来源的外泌体抗纤维化作用发挥潜在的肾脏保护作用，还可通过间充质干细胞来源的外泌体对肾小管上皮细胞的抗凋亡作用以及保护细胞间紧密连接结构的作用，抑制肾脏异常细胞浸润和间质纤维化以及促炎因子的过表达，逆转糖尿病对肾小管上皮细胞的严重损害[38-39]。因此，间充质干细胞可能为DN的治疗提供一条新的途径。此外，Jin等[14]研究发现，脂肪干细胞来源的外泌体通过增强miR-486的表达，进而抑制足细胞Smad1/哺乳动物雷帕霉素靶蛋白信号通路，显著改善DN的症状。足细胞即为肾小囊脏层上皮细胞，足细胞源性信号转导因子是评价足细胞损伤程度的良好指标，尿外泌体足细胞源性信号转导因子中，Wilms瘤基因1水平可反映糖尿病患者肾小球的损害情况[40]。这些发现为外泌体作为DN的一种新的生物诊治方法奠定了基础。

2.4外泌体与糖尿病周围神经病变 糖尿病神经病变以周围神经系统和自主神经系统受累为特征，是糖尿病最常见的并发症[41]。Jia等[42]研究表明，高血糖除了对神经轴索造成直接损伤外，还可通过施万细胞外泌体呈递miRNAs，损害远端神经纤维。此外，有研究证实，外泌体水平与急性糖尿病周围神经病变的炎症标志物升高有关，故外泌体标志物可作为早期诊断糖尿病周围神经病变的潜在辅助手段[43]。综上，外泌体与糖尿病神经病变的发生、发展有着密切的关系，外泌体的研究可能会为糖尿病周围神经病变的诊断提供新的方法。

2.5外泌体与糖尿病创面愈合不良 糖尿病创面愈合不良已成为糖尿病患者截肢的主要原因，导致患者医疗费用增加、生活质量较差。糖尿病创面愈合不良的机制目前尚不清楚，造成这一并发症的原因主要包括缺氧、血管生成受损、活性氧类损伤和神经病变等[44]。有研究表明，经血来源的间充质干细胞源性外泌体能有效改善糖尿病相关的皮肤创面愈合不良；滑膜间充质干细胞来源的外泌体可以通过加速上皮再生、刺激血管生成等促进创面愈合；富血小板血浆源性外泌体能有效诱导内皮细胞和成纤维细胞的增殖和迁移，促进慢性创面的血管生成和再上皮化[45-47]。由此认为，外泌体可用于再生医学，治疗难以治愈的糖尿病皮肤疾病(如糖尿病足等)。

3 小 结

外泌体在疾病的发生、发展中发挥着重要作用。外泌体的潜在应用主要包括作为疾病特异性生物标志物检测疾病、激活免疫反应以增强免疫力、作为药物的载体以及用于肿瘤的靶向治疗等。另外，有研究证实，注射治疗性外泌体可在6周内保持持久的生物学效应，提示外泌体可以在细胞间传递持久的信号信息[48]。而外泌体在糖尿病发生、发展中的作用机制十分复杂，由于不同来源的外泌体携带的信号分子不同，调节作用既可以是有利的，也可以是有害的。总之，外泌体的研究和开发尚处于早期阶段，其在体内的作用还有待更全面、更深入的临床研究进一步评估。