外泌体在心肌梗死中作用机制的研究进展
2021-12-04蔡珍陈灿
蔡珍,陈灿
(广东医科大学附属第二医院心血管内科,广东 湛江 524000)
缺血性心脏病可影响全球约1.26亿人,约占世界人口的1.72%[1]。全球每年约900万人因缺血性心脏病死亡,同时缺血性心脏病的全球患病率也逐年升高[2]。预计到2030年,每10万人中约有缺血性心脏病患者1 845例[3]。急性心肌梗死(acute myocardial infarction,AMI)是一种由缺血缺氧导致的严重心血管疾病。心肌细胞死亡后,导致心脏成纤维细胞增殖以及以胶原蛋白为主的细胞外基质增多,最终导致心肌纤维化形成[4]。心肌过度纤维化是 AMI患者不良心脏重构、心功能恶化和恶性心律失常发生的病理基础,因此保护心肌细胞是维持心脏正常舒缩功能的基础,对预防AMI并发症具有重要意义。目前心肌梗死的治疗策略主要包括冠状动脉旁路移植术、溶栓治疗、经皮冠状动脉介入治疗、传统药物治疗以及生活方式干预等[5-6]。外泌体是一种由细胞分泌的囊泡,最初被认为是一种“无用”的物质,但随着研究的进展,发现外泌体可通过其携带的生物活性物质在组织微环境之间传递细胞间信息,调节周围微环境并靶向特定器官,从而发挥生物学功能[7-8]。此外,外泌体还可通过抑制心肌细胞凋亡、炎症反应及心肌纤维化等减轻心肌损伤,因此可能成为心肌梗死治疗的新靶点[9]。现就外泌体在心肌梗死中作用机制的研究进展予以综述。
1 外泌体概述
1.1外泌体的来源及成分 外泌体是由细胞释放的直径为30~150 nm的脂质囊泡。外泌体的成分包含独特的DNA、RNA、脂质和蛋白质[10-11]。不同来源的外泌体具有共同的蛋白成分,包括所有四跨膜蛋白(CD9、CD63、CD81、CD82)、脂筏标记蛋白、膜联蛋白密切相关的膜融合蛋白以及介导多囊泡体产生的分子伴侣热激蛋白(如热激蛋白70、热激蛋白90)[12]。在大多数体液(如尿液、母乳、脑脊液)中均可检测到外泌体[13]。
1.2外泌体的生物发生与释放过程 外泌体的发生始于胞吞作用,细胞膜内陷形成早期内体或晚期内体,这些内体逐渐形成多囊泡体或以囊泡的形式与质膜融合,释放到细胞间隙中[14]。不同的内体分选复合物(内体分选复合物-0、内体分选复合物-Ⅰ、内体分选复合物-Ⅱ和内体分选复合物-Ⅲ)和相关的辅助蛋白在外泌体分泌过程中起关键作用[15]。外泌体的释放和有效载荷受各种生理因素和细胞条件影响,包括氧化应激、细胞内钙水平、缺氧等[16]。Liu等[17]通过比较常氧与缺氧状态下内皮集落形成细胞产生的外泌体微RNA(microRNA,miRNA/miR)发现,缺氧条件下外泌体miRNA水平显著改变是导致内皮集落形成细胞携带的外泌体保护作用减弱的原因。表明外泌体的生物发生与释放过程复杂,不同的环境刺激不仅会影响外泌体的释放,还会影响外泌体的组分,从而进一步影响外泌体的治疗效果。
1.3外泌体的特性 外泌体具有低毒性、稳定性、生物相容性、通透性、低免疫原性以及易内化到受体细胞等生物物理特性,因此适合离体研究和操作,有利于心肌内或心肌与远端组织的交流。外泌体还具有循环稳定性和生物屏障渗透能力,因此可作为药物递送的载体,增强对靶组织和器官的调节[18-19]。但目前的外泌体存在产量低、结构异质性和复杂性、外泌体分离和纯化等问题,故其作为药物载体的临床转化存在困难[20]。因此,如何提高外泌体的安全性以及规模化生产是目前亟须解决的问题。
1.4外泌体的功能 外泌体可将其携带的miRNA、蛋白质、脂质等生物分子转移至远处的受体细胞,并通过介导细胞间的通讯和信息传递改变受体细胞的功能。研究表明,外泌体可通过自分泌、旁分泌、内分泌等方式调控受体细胞的表型以及功能[21-23]。外泌体除可直接与受体细胞结合将其激活外,还可通过内吞作用将自身携带的生物分子转移到受体细胞,改变受体细胞状态,并产生相应的功能[24]。总之,外泌体携带的生物分子可作为通讯因子,参与细胞信号转导,通过调节受体细胞的基因、代谢过程和细胞信号通路的重编程等而发挥作用。
2 外泌体在心肌梗死中的作用
2.1作为生物标志物 早期心肌梗死主要通过临床表现、心电图和肌钙蛋白来诊断,对于已经患有冠心病的患者这些诊断方法则无法提供准确的依据。而外泌体携带的miRNA具有生物稳定性,可在各种体液中检测到,并参与冠状动脉疾病的病理生理过程,因此其可作为诊断早期心肌梗死的生物标志物[25]。研究发现,AMI和不稳定型心绞痛患者血清外泌体miR-126、第10号染色体缺失的磷酸酶及张力蛋白同源(phosphatase and tensin homologue deleted on chro-mosome ten,PTEN)基因的表达水平均显著高于健康对照者,且AMI患者miR-126和PTEN的表达水平显著高于不稳定型心绞痛者;受试者工作特征曲线和Gensini评分均表明,miR-126和PTEN可作为AMI的新型候选诊断生物标志物,且可能较肌钙蛋白更具特异性[26]。Zhao等[27]应用miRNA微阵列比较心肌梗死患者与健康对照者外泌体miRNA的表达水平,结果发现,miR-183表达的变化最显著,且其表达水平随着心肌缺血损伤严重程度的增加而升高。以上研究表明,外泌体携带的miRNA是细胞内信号转导器,可作为早期诊断心肌梗死并判断患者预后的生物标志物。
2.2修复和保护缺血心肌 干细胞具有自我更新、向不同组织分化的潜能,干细胞移植治疗是修复缺血心肌最具前景的治疗方法。有证据表明,干细胞对心脏的保护作用主要通过旁分泌方式实现[28]。由于移植的干细胞在受损心肌组织中的滞留时间短且存在风险性较高等问题,其应用受到限制[29]。而干细胞来源的外泌体具有与移植干细胞相同的心肌修复功能,可将其携带的内容物作用于受损心肌细胞,并通过不同的机制在一定程度上修复和保护受损心肌[30]。研究证明,间充质干细胞(mesenchymal stem cell,MSC)在治疗 AMI方面具有良好的应用前景[31]。而MSC治疗AMI的机制与其释放的外泌体携带的miRNA、蛋白质、脂质等密切相关[32]。Huang等[33]报道,人脐带MSC分泌的外泌体通过减小AMI大鼠左心室收缩末期内径和右心室舒张末期内径、增加左心室射血分数和左心室短轴缩短率、显著降低AMI大鼠的炎症因子水平而发挥保护作用。Deng等[34]研究发现,脂肪干细胞衍生的外泌体通过在体内和体外抗凋亡、抑制心脏纤维化和炎症反应,改善心肌梗死患者的心脏损害。以上研究表明,不同来源的干细胞通过产生富集心脏保护的蛋白质和miRNA的外泌体,修复和保护受损的心肌。但由于MSC外泌体的异质性,可能对靶细胞产生不同的影响。因此,为了确保治疗的安全性,有必要研发靶向性强且无细胞毒性的外泌体。经过人工手段基因修饰、药物或低氧预处理均可增强外泌体对心血管系统的保护作用。Sun等[35]通过观察心肌梗死模型大鼠发现,与无基因修饰的外泌体相比,缺氧诱导因子-1α过表达的MSC来源的外泌体可通过促进新血管形成、抑制纤维化显著改善大鼠心脏功能。Gray等[36]研究发现,低氧预处理小鼠心肌后,其心脏祖细胞来源的外泌体通过促进血管生成、减少纤维化显著改善小鼠心脏功能。以上研究表明,经过预处理的外泌体其疗效进一步增强,但安全性及具体作用机制仍有待进一步研究验证。
2.3通过多种机制调控心肌梗死 心肌梗死的主要特征是心肌细胞进行性丧失,临床上可出现白细胞计数升高,而过度炎症可促进梗死面积增加和后期心脏重构,从而导致充血性心力衰竭。目前细胞移植已广泛用于心肌梗死的治疗,缺血微环境是影响细胞移植有效性的主要因素一。而外泌体能够在靶细胞中产生类似细胞反应的无细胞成分,且其携带的RNA、蛋白质、脂质等生物活性分子可通过抗凋亡、增加心脏血管形成、抗心脏重构、抑制炎症反应等减少心肌梗死面积、改善心脏功能。
2.3.1调控细胞凋亡 Mao等[37]发现,人MSC来源的外泌体长链非编码RNA Krüppel样因子3反义RNA1可通过miR-138-5p-沉默信息调节因子1轴抑制细胞凋亡并减缓心肌梗死进程。Zhang等[38]发现,缺氧预处理骨髓MSC来源的外泌体,可显著上调AMI大鼠的miR-24水平,下调B细胞淋巴瘤/白血病-2相关X蛋白、胱天蛋白酶3以及胱天蛋白酶3相关凋亡蛋白的表达。以上研究表明,外泌体在减少心肌细胞凋亡和改善心脏功能方面显示出巨大的潜力。
2.3.2促进心脏血管生成 心脏血管生成是重建缺血性心肌侧支循环的重要过程。研究表明,远程缺血性调节衍生的外泌体可通过靶向热激蛋白70上调与血管生成相关的分子(包括内皮型一氧化氮合酶、诱导型一氧化氮合酶、缺氧诱导因子-1α、血管紧张素1和血管内皮生长因子)的表达,加速血管生成,显著改善心肌梗死患者的心功能[39]。心肌梗死患者血清外泌体miR-143可通过靶向胰岛素样生长因子1受体增加一氧化氮的产生,促进心脏血管生成[40]。由此可见,外泌体携带的生物分子可介导细胞间的通讯,并通过靶向受体细胞重新编程,上调促血管生成因子的表达,进而促进血管生成、保护缺血心肌。
2.3.3抗炎症反应 心肌梗死常伴有炎症反应,而过度炎症反应或炎症抑制不当均可影响心肌修复,导致心室重构、AMI患者的心功能恶化及心力衰竭的发展。作为细胞通讯的重要介质,外泌体在调节AMI后的炎症反应中具有重要作用。研究发现,间充质基质细胞来源的外泌体可通过改变巨噬细胞表型、减轻促炎级联反应、增强修复活性,减小心肌梗死面积[41]。Huang等[42]发现,将外泌体递送至梗死的心脏可显著降低炎症细胞因子(如白细胞介素-6和肿瘤坏死因子-α)的表达,同时增加基质细胞衍生因子-1表达和血管生成。表明外泌体可直接靶向炎症细胞或调节炎症细胞因子而发挥作用,从而减轻心肌损伤。
2.3.4抑制心室重构 在病理性刺激下,心肌梗死可导致后期心室重构的发生,而心室重构的主要病理过程包括心肌细胞增厚、心室容积增大、心腔形状改变,同时心功能由代偿转为失代偿,若不能及时治疗可发展为充血性心力衰竭。研究表明,骨髓MSC来源的外泌体miR-185可通过靶向细胞因子信号转导抑制因子2下调其表达,从而抑制心肌梗死小鼠的心室重构[43]。Zheng等[44]报道,心力衰竭患者血清外泌体携带的miR-425和miR-744可通过靶向转化生长因子-β抑制血管紧张素诱导的胶原和纤维合成,从而抑制心肌重构。以上研究表明,外泌体携带的miRNA有望成为逆转心肌重构的治疗靶点。
3 外泌体在心肌梗死中发挥“双刃剑”作用
大多数细胞可分泌外泌体,在不同的刺激和生理环境下,外泌体携带的miRNA、蛋白质等生物分子对心肌梗死的作用也不同。Yu等[45]研究发现,缺氧时心肌细胞可以分泌富含高水平肿瘤坏死因子-α的外泌体,而肿瘤坏死因子-α过表达会损害冠状动脉的内皮功能。研究证实,在心肌缺血再灌注时,心肌成纤维细胞通过分泌富含miR-423-3p的外泌体参与心脏的保护[46]。以上研究表明,外泌体在心肌梗死中具有两方面作用:①通过传递保护性的miRNA或蛋白促进心肌修复微环境的产生;②产生促炎生物分子,在心肌梗死微环境中影响心脏血管生成和修复。据报道,缺氧处理的骨髓MSC衍生的外泌体miR-210可通过靶向下游线粒体凋亡诱导因子3,调节磷脂酰肌醇-3-激酶/蛋白激酶B和p53的信号转导、降低相关凋亡蛋白水平,从而减轻心肌梗死后心脏细胞凋亡[47]。但外泌体也可能产生有害作用。如M1型巨噬细胞来源的外泌体miR-155在心肌梗死微环境下作用于血管内皮细胞,通过抑制内皮细胞增殖、迁移和血管生成,抑制损伤心肌的修复、促使心脏重构[48]。表明外泌体可能只是一个载体,其作用主要由内容物决定,而心肌梗死修复的方向与机制则取决于外泌体内容物成分和含量的变化。
4 小 结
外泌体可作为细胞间物质和信息交流的重要载体,通过不同的信号通路促进梗死心肌的修复。而外泌体中差异表达的miRNA和蛋白质分子可作为早期预测或诊断心肌梗死的靶分子,但其差异表达的生物活性分子的安全性以及作用机制仍需要大量临床研究进一步验证。虽然干细胞来源的外泌体携带的miRNA、蛋白质等生物分子具有心脏保护作用,但仍有许多问题需要解决:①目前仍缺乏高通量收集并纯化外泌体以及富集和靶向心肌保护作用的分子技术;②与干细胞移植相比,外泌体不进行自我增殖,因此不具有致瘤性,但其在治疗过程中产生的不良反应目前仍不清楚,需要进一步研究。总之,未来仍需进一步阐明外泌体的作用机制,从而为心肌损伤修复提供有效治疗选择。