外泌体在糖尿病神经病变中的作用及应用研究进展

赵炳佳，梁晓春

中国医学科学院 北京协和医学院 北京协和医院，北京100730

国际糖尿病联盟最新流行病学数据表明，2019年全球糖尿病患者达4.63亿，我国患者最多，高达1.164亿[1]。糖尿病一系列并发症中以神经病变最为常见，至少50%的患者最终会罹患糖尿病神经病变，其致残率和病死率均较高[2]。目前，研究人员从晚期糖基化终产物、多元醇通路、蛋白激酶C通路、氧化应激、自噬等方面对糖尿病神经病变的病理机制进行了大量研究，但临床治疗效果并不理想[3]。近年来，越来越多的研究表明，外泌体有望成为糖尿病神经病变诊治研究的新方向。外泌体是一种纳米级细胞外囊泡，直径30～150 nm，具有脂质双分子层外膜结构，携带着丰富的核酸、蛋白质、脂质等物质，广泛存在于各种组织、血清、尿液中[4～6]。外泌体信号传递不同于其他经典的细胞间信号通讯方式。在高糖病理状态下，神经元及其胶质细胞外泌体的合成、释放和转运会发生质和量的变化，从而影响靶细胞的生长和发育[7]。现就外泌体在糖尿病神经病变中的作用及应用研究进展综述如下。

1 外泌体参与糖尿病神经病变进程的分子基础

外泌体是由胞膜内吞形成管腔囊泡，经过内吞体分选转运复合体和神经酰胺相互作用后包裹脂质、蛋白质、核酸等“货物”形成多囊泡体，最后与胞膜融合并向外释放的囊泡小体[5,8]。合成的外泌体能够通过血液、组织液等方式进入到全身各个组织细胞中，释放出内容物，传递来源细胞的信号，调节靶细胞相应的生理活动。糖尿病来源的外泌体本身携带致病信息，游走在心肌、内皮等组织中则会造成不同程度的病变[9]。有研究证实，外泌体能够透过血脑屏障进到脑组织中[10]。这表明糖尿病来源的外泌体也很有可能由此进入到中枢神经系统中，造成进一步代谢损伤。

多项研究显示，外泌体中的脂质分子数量和种类丰富，含有鞘磷脂、磷脂酰胆碱、神经酰胺、神经节苷脂等，并有着丰富的生理功能[11]。如神经节苷脂能够调节神经的生长发育，研究证实其能改善糖尿病周围神经病患者的症状[12]。同时，外泌体为双层膜结构，对其在血液和神经组织中的流动和转运具有重要意义。研究表明，外泌体膜外的鞘磷脂和神经节苷脂含量比值对外泌体的流动性有显著影响[13]。这对进一步研究外泌体在全身各组织的转移能力和流动性非常有意义。

外泌体普遍含有跨膜蛋白、GPI锚蛋白、热休克蛋白等。不同组织细胞来源的外泌体有着特异性的膜蛋白，如神经元外泌体中含有乙酰胆碱酯酶或β淀粉样蛋白等。这种特异性膜蛋白可作为鉴别和纯化神经元来源外泌体的阳性标志物，而且，外泌体携带的功能性蛋白质能够进入不同组织中发挥作用。如有些外泌体中携带细胞因子、生长因子、纤维连接蛋白、胶原等，而这些蛋白与糖尿病状态下神经元及胶质细胞的炎症反应、修复、再生以及微环境的形成密切相关[5]。

除了丰富的脂质和蛋白质分子，外泌体中还存在着数量可观又复杂的核酸分子，在细胞间信息传递和调节中发挥着重要功能[14]。Krishnan等[15]通过对糖尿病患者胰岛组织来源的外泌体中所有RNA进行高通量测序分析，发现一共有72条RNA(包括mRNA、miRNA、piRNA、IncRNA、snoRNA、tRNA)表达水平具有统计学差异，并且通过生物信息学分析发现，这些RNA与胰岛素分泌、钙离子信号通路及细胞凋亡等密切关联，但具体分子机制有待进一步阐明。还有研究表明，病理状态下的RNAs亦能够通过外泌体转运到神经组织细胞中，如神经元、雪旺细胞等，在其中释放后影响细胞中的基因表达和蛋白合成[4]。

2 外泌体在糖尿病神经病变中的调节作用

在神经系统中，外泌体可来源于神经干细胞、神经元、少突胶质细胞、星形胶质细胞、小胶质细胞以及雪旺细胞[16]。高糖状态容易造成神经轴突萎缩、神经纤维功能丧失、髓鞘脱落、神经元凋亡等，病理细胞来源的外泌体则会导致病变程度进一步恶化。这表明在糖尿病神经病变中，外泌体可能参与了病理活动的进程。

2.1 外泌体在中枢神经系统中的调节作用 研究发现，营养神经元的外周细胞外泌体携带蛋白质、核酸等物质进入神经元后提高了神经的再生能力、氧化应激能力，起到修复高糖代谢损伤神经元、促进神经认知功能恢复的良性调节作用。如Venkat等[17]发现小鼠脑内皮细胞来源的外泌体能够在脑缺血区域通过增加神经轴突、血管密度及上调miRNA-126诱导巨噬细胞聚集等发挥作用，促进2型糖尿病中风小鼠神经修复，显著改善认知功能。而且，外泌体还具有调节神经元抗氧化应激的能力。Frohlich等[18]发现，少突胶质细胞外泌体能够携带具有抗氧化应激能力的超氧化物歧化酶和过氧化物歧化酶进入神经元。随着抗氧化应激能力的增强，神经元能够维持细胞内稳态，减少凋亡，发挥正常的神经功能。

2.2 外泌体在周围神经系统中的调节作用 目前关于雪旺细胞外泌体与神经元之间相互作用的众多研究发现，健康细胞来源的外泌体能够调节病理神经细胞状态，促进其恢复正常生理功能；相反，高糖病理状态下的雪旺细胞来源外泌体则会对神经元造成损伤，导致病情恶化。Zhou等[19]发现，来自RSC96雪旺细胞的外泌体对受到机械损伤的背根神经元细胞具有促进增殖、延缓衰老、抑制凋亡的作用。Simeoli等[20]进一步研究发现，当背根神经元受到损伤时，其miRNA表达失调，并且释放出miR-21-5p表达上调的外泌体，该外泌体能够募集巨噬细胞，进一步诱发炎症反应，修复受损神经元。但是，有学者发现，把高糖状态下生长的雪旺细胞来源外泌体注射进小鼠坐骨神经后，会加重糖尿病小鼠的周围神经病变程度。随后，该研究发现，与正常雪旺细胞外泌体对比，高糖状态下生长的雪旺细胞来源外泌体中miR-28、31a、130a高表达；在培养背根神经元时加入该外泌体后发现，其神经轴突生长受到抑制，并且轴突中相应的靶蛋白如DNA甲基转移酶3a、内吞衔接蛋白、突触小体相关蛋白25、生长相关蛋白43表达均下降。后续实验中，研究者发现，转染了miR-28、31a、130a的背根神经元生长受到抑制，这进一步证实了高糖状态下雪旺细胞外泌体及其表达的miRNA均加重了糖尿病周围神经病变过程[21]。

3 外泌体在糖尿病神经病变治疗中的应用探索

多项研究发现，糖尿病神经病变与炎症反应、氧化应激、脱髓鞘、突触可塑性损伤、神经萎缩等密切相关，而目前研究证实外泌体具有加强抗炎、抗氧化应激、促进髓鞘再生、突触重塑、神经再生和修复等作用，这表明外泌体能够调节神经元的生长与发育，对糖尿病神经病变具有潜在的治疗效果。

3.1 外泌体减轻炎症反应 在抗炎作用方面，有研究证实，来自骨髓间充质干细胞的外泌体可通过抑制促炎基因表达等治疗糖尿病小鼠神经病变，促进其神经功能恢复。Kubota等[22]发现，大鼠骨髓间质干细胞来源外泌体携带的miRNA-146a能够预防糖尿病引起的海马神经元与星形胶质细胞损伤，最终促进神经认知功能的恢复，而其具体机制则与抗炎作用有关。进一步地，Fan等[23]将小鼠骨髓间充质干细胞来源外泌体注射入糖尿病周围神经病变小鼠模型，结果显示，小鼠热痛阈值、感觉和运动神经传导速度等周围神经功能明显改善；研究人员通过高通量测序发现，该外泌体中高度表达Let-7a、miR-17、miR-23等，而这些miRNA与Toll样受体(TLR)4/NF-κB信号通路密切相关，并且通过Western blotting实验证实了注射该外泌体的糖尿病小鼠相比对照组，其坐骨神经中TLR4、IRAK1、NF-κB p65的表达明显降低。

3.2 外泌体抗氧化应激 研究表明，干细胞外泌体增强了高糖下神经元的抗氧化应激能力，而且神经元自身的外泌体能够将细胞内的过氧化物转移出细胞，减轻了对神经元的氧化损伤。Nakano等[24]发现，大鼠骨髓间质干细胞来源外泌体具有抗氧化应激能力，能够增加神经元突触生长密度，改善糖尿病诱发的神经细胞超微结构异常，从而修复受损的神经元和星形胶质细胞，减轻糖尿病大鼠的神经认知功能障碍。另外，还有研究者证实，外泌体能够将来源细胞损坏的染色体DNA片段运出细胞外，减轻细胞内氧化应激反应和DNA损伤，维持细胞内稳态[25]。这一点，对于减轻高糖状态下的神经元及其胶质细胞的氧化应激引起的DNA损伤尤其重要。

3.3 外泌体促进神经修复 无论是神经元还是干细胞来源的外泌体都携带着大量保护神经和营养神经的蛋白质和核酸，可调节相关分子通路，起到保护髓鞘、重塑突触、修复受损神经元等作用，促进神经元的生长与功能恢复，展示了潜在的治疗前景。

在髓鞘保护方面，有研究发现，少突胶质细胞外泌体中携带大量的髓磷蛋白磷脂蛋白、2030-环核苷酸-磷酸二酯酶、髓鞘碱性蛋白等，而这些成分有利于形成神经髓鞘，包裹神经，形成保护作用和营养支持[26]。Pusic等[27]将提取自健康大鼠血清的外泌体加入大鼠海马神经组织中一起培养，结果显示该外泌体能促进海马中髓磷脂的表达、促进少突胶质前体细胞和神经干细胞的生长，且该外泌体富含miR-219。miR-219能够明显促进髓鞘再生，保护轴突，改善脱髓鞘病变，促进神经功能恢复[28]。

在突触重塑方面，去极化神经元释放出的外泌体中富含突触可塑性微管相关蛋白1B及其miRNA，而这对于神经突触重塑非常有意义[29,30]。同时，Xin等[31]发现，来自多功能性间充质基质细胞的外泌体能够介导miR-133b转移至星形胶质细胞和神经元，从而调节基因表达，有益于神经突触的重塑和功能恢复。另一方面，有学者证明，来自小鼠小胶质细胞的外泌体能够选择性清除PC12神经细胞的病理性突触连接，保证正常的神经突触功能[32]。

在神经生长方面，有学者发现，在体外环境下间充质基质细胞来源外泌体能够促进皮层神经元轴突的生长和延长，而减少外泌体中RNA诱导沉默蛋白Ago2表达后，神经轴突的生长则受到抑制；增加外泌体中miR-17-92表达后，其对神经的促生长作用更强，该miRNA可能通过PTEN/mTOR信号转导通路发挥作用[33]。另外，还有学者分别提取1型糖尿病大鼠骨髓基质细胞和正常大鼠骨髓基质细胞来源的外泌体，并分别注射进1型糖尿病脑卒中大鼠颅脑中，发现前者具有重塑脑血管和脑白质的作用，检测结果显示前者血清miR-145表达下降，而miR-145靶基因腺苷三磷酸结合盒转运蛋白1和胰岛素样生长因子1受体的表达上升。研究进一步证实，转染和敲除miR-145的外泌体影响了神经的生长程度，表明miR-145在神经保护中起到重要调节作用[34]。而在外周神经系统方面，有学者发现雪旺细胞来源的外泌体能够促进神经轴突再生，修复坐骨神经元损伤[35]。

综上所述，外泌体在糖尿病神经病变中介导多种信号通路，在各个细胞间传递着不同讯息，调节着病理活动、生理功能。无论是髓鞘退化或形成，还是神经细胞的凋亡和再生，外泌体均扮演着至关重要的作用。由于不同生理或病理状态下，外泌体及其内容物会发生相应的差异性改变，若在其中寻找到生物标志物，体液外泌体检测或将成为糖尿病神经病变早期有效的诊疗手段。而且，外泌体为自身分泌，能够游走全身甚至透过血脑屏障，若将相应药物等包裹进外泌体，再被细胞靶向吸收，将会成为精准治疗的有效手段。然而，外泌体的具体调节机制如高糖状态如何影响外泌体的形成与传播等仍有待进一步研究探索。