星形胶质细胞分泌的外泌体在中枢神经系统疾病中的作用机制研究进展

裴美娟，李娅丽，涂 悦 综述 李学文 审校

星形胶质细胞是人脑中含量最丰富的胶质细胞，在脑组织中具有重要作用，如参与突触的形成与重塑、调节神经元代谢及对血脑屏障的维持等。星形胶质细胞是神经炎性反应的主要参与者，是中枢神经系统炎性反应介质的主要来源，虽然星形胶质细胞介导的神经炎性反应最终目标是修复损伤和恢复脑内稳态，但该反应的结果并不总是有益的，尤其对于神经退行性病变，长期暴露在炎性刺激下可能会产生神经毒性。因此，星形胶质细胞对大脑内环境的稳定具有重要作用。外泌体在脑细胞之间的信号或分子生物传递中都发挥着重要作用，星形胶质细胞分泌的外泌体中富含各种生物分子，包括特定的蛋白质、脂质和核糖核酸(ribonucleic acid，RNA)等。星形胶质细胞在中枢神经系统中具有重要作用，而其中外泌体是最重要的因素之一，可促进星形胶质细胞和其他细胞之间的沟通。本文就星形胶质细胞源性外泌体在中枢神经系统疾病中的作用进行综述。

1 星形胶质细胞外泌体的重要性

星形胶质细胞是中枢神经系统的重要免疫细胞，在生理和病理条件下，星形胶质细胞通过细胞间接触、释放可溶性因子(如趋化因子、细胞因子和自由基)和通过分泌的外泌体交换生物分子，与周围细胞同时进行物质交换。星形胶质细胞分泌的外泌体形状各异，大小100 nm～1 μm，由于其具有长距离的扩散能力，是调节周围星形胶质细胞群体和周围不同细胞类型活动的有效途径。蛋白质组学分析了星形胶质细胞分泌的外切体中蛋白质含量，包括多种酶、伴侣、四环素和膜受体。但外泌体的生物活性和组成取决于供体细胞的状态、细胞外刺激和下游信号通路，如三磷酸腺苷诱导星形胶质细胞分泌的外泌体富含白细胞介素1(Interleukin 1，IL-1)b和甘油醛-3-磷酸脱氢酶，可调节脑内神经炎性反应。

生理条件下，星形胶质细胞分泌的外泌体富含神经保护和神经营养成分。例如，星形胶质细胞分泌的外泌体可促进神经元产生神经酰胺和鞘氨醇，对突触传递具有关键的调节作用。星形胶质细胞分泌的外泌体在其表面携带内源性大麻素N-花生四烯酰乙醇胺，携带该物质的外泌体可刺激γ-氨基丁酸能神经元表达的1型大麻受体，并抑制突触前传递。而星形胶质细胞在氧化应激、营养缺乏、炎性反应等异常条件下释放的外泌体则具有神经保护作用，并促进轴突再生和生长。发生炎性反应时，星形胶质细胞可改变外泌体中的成分，通过调节神经元的兴奋性来抑制炎性反应。星形胶质细胞也会根据细胞外的不同刺激而改变外泌体成分。例如，在正常的细胞外刺激下，星形胶质细胞源性外泌体内含有促进轴突生长、突触传递和神经元存活的蛋白质。而当星形胶质细胞暴露在炎性刺激下时，则可通过外泌体中的IL-1b调节外周免疫反应。此外，星形胶质细胞源性外泌体的内容物还可根据其他细胞分泌的外泌体而发生改变。研究表明，当神经元源性外泌体中的miRNA被星形胶质细胞摄取后，可调节星形胶质细胞的基因表达，从而促进神经功能的恢复和轴突再生。

星形胶质细胞分泌的外泌体中含有蛋白质生物标记物，这些标记物被认为与疾病有关。此外，星形胶质细胞来源的外切体可以保持细胞特异性标记，可识别亲代细胞的起源、疾病的发生发展。从细胞中释放的外切体可以从组织中分离出来，然后进行检查，以确定从体液中提取的细胞来源，从而成为早期监测疾病的标志物。星形胶质细胞分泌的外泌体可以通过血脑屏障并被脑细胞吸收，因此也可作为药物或药物载体在药物靶向治疗中发挥作用。

2 阿尔茨海默病(alzheimer’s disease，AD)

A.是一种迟发性神经系统疾病，由于神经元受损或死亡而导致记忆力和认知能力逐步丧失。AD的病理特征是含有β淀粉样蛋白及含有Tau蛋白，而AD患者中神经系统炎性反应、星形胶质细胞激活和细胞变性之间存在复杂的关系。研究显示，释放到血清中的β淀粉样蛋白和Tau蛋白有可能来自于星形胶质细胞来源的外泌体[1]。Tau是一种与微管相关的神经元蛋白，在变性的神经元中异常堆积，可选择性地被星形胶质细胞摄取，摄取Tau蛋白后的星形胶质细胞及其分泌的外泌体都可释放Tau蛋白，并随后被皮质神经元摄取，从而进一步促进Tau病理性扩散，而减少星形胶质细胞或外切体则可减少Tau的传播[2]。外泌体不仅在Tau的释放和细胞间传递中发挥作用，研究还表明从Tau转基因小鼠脑中分离出的外泌体注射到野生型小鼠中时可以促进Tau病理的播种，但其具体机制还不十分清楚。最近的另一项研究表明，暴露于β淀粉样蛋白的星形胶质细胞也可通过转化为A1型反应性星形胶质细胞，进一步导致AD的神经细胞死亡和损伤[3]。Goetzl等[4]通过量化星形胶质细胞来源外泌体的补体蛋白以探讨星形胶质细胞的作用，结果显示，AD患者含C1q、C4b、C3d、B因子和C5b-C9的外泌体显著高于正常组，而补体调节蛋白CD59、CD46、衰变加速因子和I型补体受体的水平均显著低于正常组，且随着AD分期的加重而逐渐降低，但AD患者中的IL-6、肿瘤坏死因子-α和IL-1β水平显著高于对照组，结果表明补体蛋白失调可能在AD晚期炎性反应阶段损伤神经元。

另外，AD患者星形胶质细胞分泌的外泌体可诱导受体神经元上的膜攻击复合体表达，并导致神经膜破裂、降低轴突密度，最终降低神经元的存活率，但同时该外泌体对神经元的损伤作用可被膜攻击复合体抑制剂及其他补体抑制剂抑制，因此该抑制剂有望用于AD患者的治疗[5]。而对AD中星形胶质细胞来源的外泌体蛋白的定量分析表明，外泌体内β-位淀粉样前体蛋白裂解酶1(β-site amyloid precursor protein-cleaving enzyme ，BACE-1)显著增高，因此外泌体还可能成为BACE-1抑制剂治疗AD的有效靶点[6]。因此，星形胶质细胞分泌的外泌体在脑靶向治疗中也可能具有重要作用。

3 脑缺血及脑卒中

星形胶质细胞对卒中后的神经元既有保护作用，也有不良影响。研究显示，在卒中后急性期，星形胶质细胞可通过减少病变扩展、抗兴奋毒性效应和分泌神经营养素而发挥神经保护作用[7]。星形胶质细胞分泌的外泌体则可通过调节自噬抑制氧和葡萄糖剥夺诱导的半胱氨酸蛋白酶-3、Bax表达以及肿瘤坏死因子-α、IL-6、IL-1β水平升高，最终抑制神经元的的凋亡并减轻神经元损伤[8, 9]。朊蛋白可保护神经细胞免受氧化应激、缺氧、缺血和低血糖症的侵害，而在缺氧和缺血条件下，星形胶质细胞可释放含有朊蛋白的外泌体，并被神经元摄取，从而促进37/67 kDa层粘连蛋白受体、载脂蛋白E和核糖体蛋白S3表达，但簇蛋白/载脂蛋白J的表达降低，最终促进神经元存活，因此缺血后星形胶质细胞外泌体的神经保护作用与星形胶质细胞分泌的外泌体中朊蛋白相关，而与神经元中的朊蛋白无关[10]。

此外，星形胶质细胞分泌的外泌体中的miRNA在脑卒中后的神经元中也具有重要作用，如缺血前可将miRNA-92b-3p转移至神经元，起到保护神经元的作用[11]，外泌体中的miRNA-361则可通过靶向组织蛋白酶B并下调AMPK / mTOR信号途径保护卒中后的神经损伤[12]，而含有miR-181c-3p的外泌体可通过下调星形胶质细胞趋化因子(C-X-C基序)配体1而抑制缺血性脑损伤后的神经炎性反应[13]，富含miR-133b的星形胶质细胞源性外泌体则可降低结缔组织生长因子和Ras同源基因家族成员A的表达，最终促进卒中后神经轴突的重塑与功能恢复[14]。此外，含有前列腺素D2合酶的星形胶质细胞源性外泌体也有助于卒中后神经元轴突的生长和功能恢复[15]。含有miRNA-34c的星形胶质细胞源性外泌体可靶向Toll样受体7(toll-like receptor 7 ，TLR7)，下调NF-κB/ MAPK信号传导，而低表达miR-34c的星形胶质细胞对缺血性神经损伤的保护作用也会下降，但NF-κB或MAPK特异性抑制剂治可部分恢复期保护作用[16]。

4 肌萎缩性侧索硬化症(amyotrophic lateral sclerosis，ALS)

A.S是最常见的运动神经元病，可导致大脑、脑干和脊髓运动神经元进行性丧失，目前还没有有效的治疗方法，且运动神经元损伤的途径尚不清楚，但星形胶质细胞在ALS中具有重要作用。研究显示，ALS动物模型中星形胶质细胞分泌的外泌体含有ALS的致病蛋白，如超氧化物歧化酶1(superoxide dismutase1 ，SOD1)，且在早期ALS患者中也有发现[17]。另一项研究表明，星形胶质细胞分泌的外泌体可有效地将突变的SOD1转移到脊髓神经元并诱导选择性运动神经元死亡，表明突变型SOD1的表达可通过星形胶质细胞传递，从而有助于运动神经元病理和疾病扩散[18]。而含有miR-124A的神经源性外切体则可被星形胶质细胞摄取，从而促进胶质谷氨酸转运蛋白1的表达，最终调节细胞外谷氨酸水平，促进突触ALS的神经元激活[19]。

由于炎性反应是ALS的主要致病因素之一，但对于ALS患者很难进行脑组织活检，分析中枢神经系统炎性反应与疾病进展之间的关系较困难，而星形胶质细胞分泌的外泌体可进行体外相关研究，因此有研究探讨ALS患者星形胶质细胞分泌的外泌体中IL-6的水平及其与ALS的相关性。结果显示，ALS患者星形胶质细胞源性外切体中的IL-6水平升高，且与疾病进展速度呈正相关，但IL-6水平仅与病程小于12个月的患者疾病进展率有关联，提示星形胶质细胞源性外泌体与ALS患者的病理生理相关[20]。

5 帕金森病(parkinson’s disease，PD)

α-突触核蛋白水平在PD发病机制中起重要作用，含有α-突触核蛋白的细胞(包括星形胶质细胞)功能障碍可能在PD的发生或进展中具有关键作用，抑制该途径α-突触核蛋白有望用于治疗PD。研究显示，胞外α-突触核蛋白可被邻近细胞，特别是小胶质细胞和星形胶质细胞摄取，并在溶酶体内降解，因此α-突触核蛋白通过星形胶质细胞转移是细胞清除α-突触核蛋白的重要途径之一[21]。但同时，星形胶质细胞摄取含有α-突触核蛋白的外泌体后，会导致星形胶质细胞内的蛋白失衡或功能失调而发生自噬反应，最终破坏星形胶质细胞的功能[22]。

多巴胺能神经元易受氧化应激的影响，星形胶质细胞可保护神经元免受铁介导(PD患者的多巴胺代谢产物诱导产生)的毒性损害作用。星形胶质细胞能够通分泌外泌体而向神经元提供必要的转录因子或神经营养因子，而增强其对氧化损伤的抵抗力，因此星形胶质细胞与多巴胺能神经元之间的物质传递可能与PD发病相关[23]。而星形胶质细胞分泌的外泌体中miRNA-200a-3p可通过下调丝裂原活化蛋白激酶4通路来阻止PD多巴胺能神经元的凋亡，从而对多巴胺能神经元发挥保护作用。此外，另一项研究表明，人星形胶质细胞和少突胶质细胞分泌的外泌体可作为PD患者的诊断生物标志物，且其外泌体与UPDRSⅢ评分呈显著正相关[24]。

综上所述，星形胶质细胞分泌的外泌体在各种临床应用中具有相当大的潜力，星形胶质细胞分泌的外泌体对神经元也具有重要作用，其外泌体的组成、大小、浓度和释放速率因细胞类型和病理生理条件的不同而改变。因此，星形胶质细胞分泌的外泌体可用于中枢神经系统疾病的病理生理过程研究，而外泌体内的不同物质还可作为中枢神经系统疾病的诊断或预后分析的生物标志物。此外，星形胶质细胞分泌外泌体能够穿过血脑屏障，被各种脑细胞摄取，因此其可作为药物或药物载体用于靶向治疗。虽然在体外可轻易获得特异性细胞类型分泌的外泌体，但是由于体内细胞外空间是来自不同细胞源性外泌体的混合而很难进行区分，因此限制了外泌体的体内相关研究。总之，星形胶质细胞分泌的外泌体在中枢神经系统疾病中具有重要作用，尽管大部分研究仍处于动物研究阶段，但其潜在的临床应用价值很大，因此具有较大的研究价值。