外泌体与心力衰竭

王玉卿 杨光照

心力衰竭(HF) 是一种全球性疾病，约6400万人深受其害[1]。HF是心血管疾病发展的终末阶段，是由于心脏收缩和(或)舒张功能发生障碍，使静脉回心血量排出受损，导致静脉系统血液淤积，动脉系统血液灌注不足，心脏不能提供足够的心输出量以维持组织器官的正常功能，从而引起心脏循环障碍的综合征。HF的诊断方法特异性、灵敏度均不高，而且现有的治疗方法仅能够缓解并不能减轻潜在的心肌损伤[2]，我们仍然需要继续深化研究并改进HF的诊断及治疗方案。

外泌体携带多种RNA、脂质、蛋白质等生物活性物质，可作为信息交流与信号传导的生物载体，参与炎症反应、心肌纤维化、肾素-血管紧张素醛固酮 (RAS) 系统异常激活等多种HF发病过程[3]。外泌体所具有的某些生物活性可能在HF的发生发展过程中起着至关重要的作用。所以进一步研究外泌体在HF中发挥的作用，将会为HF的发病机制、诊断及治疗提供新的思路。

1 外泌体生物学特征

外泌体是直径仅为30～150 nm的细胞外囊泡，几乎所有的细胞均能合成及释放外泌体，并通过细胞间复杂的信息交换和(或)基因表达调节来影响受体细胞，从而改变受体细胞的功能。外泌体中含有多种具有生物活性的蛋白质和遗传物质。据ExoCarta数据库统计显示，外泌体中含有9769种蛋白质，3408种信使RNA(mRNA)，2838种微小RNA(miRNA)，1116种脂质。其中常见的蛋白质包括热休克蛋白(HSP)、膜转运蛋白、信号转导蛋白等； RNA组成包括功能性mRNA和其他非编码RNA，如miRNAs、长链非编码RNA(lncRNAs)[4]。

外泌体从细胞中释放后，进入血液循环并作用于受体细胞，将生物活性分子转移到受体细胞中发挥作用。其发挥作用的机制主要包括以下3种：(1)通过配体和受体的相互作用与靶细胞结合；(2)与受体细胞的质膜融合并直接释放到细胞质中；(3)通过吞噬作用、微胞饮作用、网格蛋白和小泡介导的独立内吞作用将生物活性分子内化到受体细胞[5]。

2 外泌体在HF中的作用机理

外泌体已成为心脏不同类型细胞间重要的通信工具，因为他们能够携带来自供体细胞的各种生物信息，

包括蛋白质、脂质和非编码RNA，并影响受体细胞的功能，参与炎症反应、心肌肥厚、心肌纤维化、RAS异常激活、血管生成等多种HF发病过程。

2.1 参与RAS系统的异常激活 RAS系统的异常激活使局部血管紧张素Ⅱ(AngⅡ)水平升高，从而诱发病理性心肌肥厚，导致HF，而这一过程与外泌体密切相关。AngⅡ刺激心脏成纤维细胞释放外泌体作为旁分泌介质，上调肾素、血管紧张肽原(Agt)、血管紧张素Ⅰ受体(AT1R)、血管紧张素Ⅱ受体(AT2R)，同时下调心肌细胞中的血管紧张素转化酶2，从而促进AngⅡ-T1R轴的自泌激活，导致病理性心肌肥厚，促进HF的发生发展[6]。

2.2 参与心肌保护与心肌修复 Khan等[7]的研究表明，由小鼠胚胎干细胞(ESC)衍生的外泌体以细胞自主的方式增强心肌梗死(MI)后的心肌修复力，这说明外泌体有增强心脏内源性修复机制的潜力。另外，外泌体miR146a可增加心肌细胞活力并提高抗氧化应激能力，从而发挥心肌细胞保护功能。Wang等[8]的研究表明，在体外培养的心肌成纤维细胞中，miR-425或miR-744可显著消除血管紧张素诱导的胶原形成和纤维形成，从而修复受损心肌。

2.3 促进血管生成 HF病人心肌中的血管数量减少，从而使心功能进一步恶化，外泌体能通过不同的机制促进HF病人的血管生成，延缓HF进展。国内外多个研究表明，细胞来源的外泌体可通过激活多种蛋白通路、刺激促血管生成因子、促进血管内皮增殖和迁移、抑制细胞凋亡等机制促进血管生成，增强心肌细胞存活率，从而改善心功能[9]。

3 外泌体在HF中潜在的诊断价值

美国心脏协会/美国心脏病特别工作组发表的HF的诊断和治疗指南推荐了一些预测价值高的生物标记物，如利钠肽、正五聚蛋白-3、半乳糖凝集素3、心肌肌钙蛋白[10]。虽然这些生物标志物在HF的诊断方面具有一定的优势，但其在风险分层方面仍存在局限性。例如，BNP和氨基末端脑钠肽前体是最经典的HF生物标志物，其诊断灵敏度高，但特异性低，病人年龄、性别、BMI，以及肺栓塞、肾功能不全等其他共病的存在都会影响检查的准确性。因此，寻找特异性高、敏感性高、准确性高、检测快速且可无创性收集的新型生物标记物是一项重要而艰巨的任务。

3.1 作为诊断生物标志物 有研究表明，HF病人血浆外泌体miR-21、miR-425和miR-744水平降低，同时miR-425和miR-744的表达在血管内皮成纤维细胞中被抑制，所以循环miRNAs水平可能部分反映心脏成纤维细胞的状况且有可能成为预测心肌纤维化和HF的生物标志物[8]。研究表明，外泌体miRNA在不同类型的HF中表达不同，如急性心力衰竭(AHF)中miR-23a、miR-23b、miR-24、miR-195和miR-214表达上调，CHF中miR-423-5p、miR-320、miR-22和miR-92b表达上调，急性心肌梗死(AMI)导致的HF中，miR-34a、miR-192和miR-194水平升高[11]。这在一定程度上均表明外泌体miRNA的类型对HF等各种心血管疾病诊断的特异性较高。

另外，外泌体miRNA还可以提高HF诊断的敏感性和准确性。Emanuell等[12]的一项研究表明，冠状动脉旁路移植术后病人的外泌体miR-208a水平与心肌肌钙蛋白I(cTn-I)水平有很好的相关性。Beg等[13]将CHF病人和健康志愿者的血浆总miRNA和外泌体中的miRNA进行对比，发现与血浆总miR-146a的水平相比，CHF病人外泌体中miR-146a的水平显著升高，说明外泌体中miR-146a也可能成为HF的潜在标志物之一，且比血浆的敏感性高。

Wu等[14]的研究表明，miR92b-5p与左房内径(LAD)、左室舒张末期内径(LVDD)、左室收缩末期内径(LVSD)等超声心动图指标呈正相关，即其表达与左心室扩张程度呈正相关；与LVEF、左室内径缩短率(LVFS)等超声心动图指标呈负相关，提示miR-92b-5p水平随着左心室功能下降而升高。因此，外泌体miRNA与超声心动图等其他诊断方式相结合可作为外泌体在HF诊断中的研究方向之一。

3.2 作为预后生物标志物 国内外研究显示，外泌体miRNA除对HF具有很好的诊断价值以外，对HF病人的预后也具有较好的预测价值。研究表明，miR-146a水平的升高可区分具有良好恢复潜力的围产期心肌病导致的急性心力衰竭(PCM-AHF)病人和可能需要心脏移植或辅助设备支持才能恢复的PCM-AHF病人。另有观点认为，循环外泌体miR-194或miR-34a与miR-425或miR-744可能对HF病人的心脏纤维化和左心室功能不全具有较好的预测价值。Bi等[15]比较了急性冠脉综合征(ACS)病人与健康人血清外泌体的miRNA表达,并进一步验证miR-208a在ACS病人中的特异性，结果表明，血清外泌体在ACS中的敏感性优于健康人，甚至对1年生存率有一定的预测价值。

虽然外泌体很有可能成为HF的新型生物标志物，但是外泌体的分离、纯化是一大难题。目前已经研究了外泌体的各种分离、纯化方法，但还没有检测方便、快速及获得广泛认可的方法。此外，与目前临床广泛采用的生物标志物相比，外泌体是否对HF具有更优的诊断和预后价值还有待进一步验证。

4 外泌体在HF中潜在的治疗价值

目前HF的治疗药物仅能延缓病情进展，并不能使受损心肌修复和再生，而唯一可治愈HF的方法是心脏移植，但心脏供体的有限性使其无法满足HF病人的大量需求。随着医疗技术的发展，干细胞移植被认为是修复受损心肌组织最有希望的治疗方法之一，但其对HF的作用仍然有限，所以如何提高细胞治疗的疗效是关键问题。随着对干细胞的深入研究，人们发现干细胞来源的外泌体是心肌细胞间重要的载体，其中的某些蛋白质、miRNAs和lncRNAs在预防心肌损伤和促进心肌修复方面发挥着重大作用。

4.1 间充质干细胞(MSC)来源的外泌体 Nakamyra等[16]使用主动脉缩窄导致的心肌肥厚作为HF模型进行的实验证明，早期注射人脂肪间充质干细胞(hMSCs)可以预防心功能障碍，且其发挥作用的机制是刺激外泌体的合成与分泌。研究表明，骨髓来源的MSC或胚胎干细胞来源的外泌体可以改善实验动物的MI和阿霉素诱导的HF，修复缺血再灌注损伤。MSC在缺血预处理后分泌富含miR-22的外泌体，并将其动员到心肌细胞中，从而减少心肌细胞因缺血而发生的凋亡。Luther等[17]的研究表明，miR-21a-5p是鼠MSC外泌体中含量最丰富的miRNA，他通过抑制磷酸酶和张力蛋白同系物/Akt信号通路促进血管生成和心肌细胞存活，有利于心肌修复。以上研究均说明不同来源的MSC不仅对HF的发生具有预防作用，还能通过不同的机制保护及修复受损心肌。

4.2 其他细胞来源的外泌体 除MSC外，其他细胞来源的外泌体同样可以改善HF的病理生理特征以发挥对HF的治疗作用。大型动物模型试验表明，心肌细胞来源的外泌体可减少AMI和恢复期MI的瘢痕形成，促进心肌重塑，改善LVEF。Singla等[18]的研究数据表明，胚胎干细胞来源的外泌体(ES-Exos)和胚胎干细胞(ESCs)均能抑制阿霉素诱导的细胞凋亡和信号转导，改善心脏重构及心脏功能。另有研究表明，心脏祖细胞(CPCs) 可通过激活细胞外基质金属蛋白酶诱导因子(EMMPRIN)发挥促进血管生成的作用。

干细胞来源的外泌体在发挥作用的同时还具有其他治疗方法所不具备的优势。与HF的传统治疗药物相比，基于外泌体的治疗可以改善生物活性分子的细胞和组织分布，从而在提高疗效的同时降低毒性。此外，与干细胞移植相比，外泌体还能进一步降低免疫原性，且易于获得及保存[8]。但是，干细胞来源的外泌体对HF的治疗仍处于初级研究阶段，其发挥作用的成分及机制仍然需要进一步探索。

5 总结与展望

HF是一种严重危害人类健康的全球性疾病，给病人及社会带来了沉重的心理及经济负担，并且其目前的诊断和治疗方法仍然存在着许多缺陷。作为细胞间信号交流的载体，外泌体通过与特定受体细胞结合、膜融合、释放生物活性分子等方式影响目标细胞的功能，有利于减轻炎症反应、抑制心肌肥厚及心肌纤维化，促进血管生成，从而阻止HF的发生与发展。因此，目前以干细胞来源的外泌体为基础的治疗方法已成为心血管疾病最有前景的治疗策略。但是由于外泌体研究仍然处于初级研究阶段，其用于诊断、治疗HF的安全性、特异性、敏感性仍不确定，且外泌体的难以分离、纯化的性质限制了其在HF中的应用。因此，未来需要更多的相关研究来继续深化人们对外泌体的了解，以期为HF的诊断及治疗提供新的研究方向与方法。