外泌体在衰弱发病机制和诊疗中的潜在作用

王学 陈旭娇*

随着全球人口老龄化进展加速，预计2050 年全球人口老龄化将达到20 亿左右，中国老龄人口将达4 亿以上［1］。衰弱作为一种与增龄相关的临床综合征，其特征是机体多个生理系统失调引起生理储备降低，个体抵抗内源性或外源性打击的能力下降，易导致失能、跌倒、住院及死亡的风险增高［2］。目前衰弱的诊断尚无统一标准，现临床和科研上应用最广泛的是Fried 衰弱标准。我国社区衰弱及衰弱前期患病率分别为12.8%和45.4%，女性衰弱患病率高于男性，且随着年龄的增加而升高。衰弱个体的生理系统失调累及肌肉骨骼系统、慢性炎症、免疫系统、内分泌系统以及神经系统，其中慢性炎症是衰弱发展的关键［3］。目前识别和监测衰弱发生发展的核心生物标志物主要有炎症因子、免疫细胞、氧化应激产物、表观遗传标记、各类激素和内分泌因子以及微小RNA，但其诊断、预测预后和治疗衰弱的潜力尚不明确，有待进一步研究评估和验证。本文对外泌体与衰弱的发病机制及诊疗相关研究进展作如下综述。

1 外泌体在衰弱发病机制中的潜在作用

外泌体是大小为40～150 nm 的细胞外囊泡，含有丰富的蛋白质、脂质、短肽链、mRNA、miRNA、长链非编码RNA等，参与远近细胞、组织和器官间通讯，抗原呈递以及调节蛋白质翻译过程，被认为是疾病进展中的具有潜在价值的生物标志物［4］。外泌体所占比例最高的是蛋白质类，并参与一系列基本的细胞生物学过程，如细胞粘附、膜融合、新陈代谢和信号转导等［5］。外泌体通用的涉及膜转运、融合及信号转导等主要相关蛋白有GTPases 蛋白、膜联蛋白和脂筏标记蛋白，同时还包括热激同源蛋白70（HSC70），热休克蛋白90（HSP90）以及主要组织相容性复合体Ⅱ类（MHC Ⅱ）等抗原呈递分子。CD9、CD63 和CD81 四跨膜蛋白，以及与质膜相关的其它蛋白质存富集于外泌体，被认为是外泌体特异性标志物。VALADI 等［6］首次报道肥大细胞衍生的外泌体内含mRNA 和miRNA。miRNA 是一种含有21-23 个核苷酸的单链非编码RNA，可结合mRNA 的3'端非翻译区（3'-UTR）而影响转录后水平的基因表达，与较多生物学过程相关，例如胚胎发育、增殖、分化和凋亡。

有多项证据支持，在个体衰老进程中及与增龄相关疾病患者循环中的外泌体水平均存在动态变化［7］。此外有学者指出，外泌体介导的信息传导与衰弱潜在的分子机制，即与增龄相关的免疫系统炎症激活（炎症衰老）以及免疫系统功能重塑（免疫衰老）有关［8］。IPSON 等［9］根据Fried 衰弱标准入组衰弱患者，设立健康对照组和年轻对照组，通过比较各组间血浆中外泌体水平发现衰弱患者血浆中富含8 种特定的外 泌 体miRNA：miR-10a-3p、miR-92a-3p、miR-185-3p、miR-194-5p、miR-326、miR-532-5p、miR-576-5p 和miR-760。PICCA 等［10］研究衰弱合并肌肉衰减症患者与老年健康对照组的血清外泌体比较，发现衰弱合并肌肉衰减症患者血清中外泌体水平明显升高，且部分线粒体氧化电子传递链成分以外泌体形式损失，与衰弱潜在的慢性炎症机制密切相关。

1.1 外泌体与骨骼肌肉系统 肌肉衰减症也称肌少症，特征是与年龄相关的肌肉质量减少、肌肉力量和功能下降，与衰弱密切相关，且两者存在部分共同病因及病理生理学机制［11］。有研究发现，骨骼肌细胞衍生的外泌体miRNA 可调节肌肉再生和蛋白质合成［12］。CHOI 等［13］通过体外研究发现人骨骼肌成肌细胞（HSkM）衍生的外泌体携带多种信号因子，包括肌源性生长因子、胰岛素样生长因子（IGF）以及成纤维细胞生长因子2（FGF2）等，可诱导人脂肪间充质干细胞（HADSC）的成肌分化，从而显著提高肌肉损伤小鼠模型的肌肉再生能力。MOBLEY 等［14］提取并分离得到牛乳来源的外泌体，接种于C2C12 骨骼肌细胞培养基中，证实乳清蛋白来源的外泌体具有增强肌肉再生和肌肉蛋白的合成的功能。骨骼肌源性外泌体miRNA（myomiRs）的相关研究为发展，基于应用外泌体miRNA 来提高肌肉质量和功能的方法提供了基础，外泌体可能在未来发展为干预衰弱合并肌少症的无细胞疗法。

1.2 外泌体与炎症 慢性系统性炎症和线粒体功能障碍是衰弱合并肌少症发生发展的潜在因素［15］。外泌体携带能够作用于远近靶点的炎症调节剂（miRNA 和蛋白质），可经受体介导将内部调节因子转移至靶细胞参与炎症过程，在炎症信号级联反应中起关键作用［16］。有研究表明，外泌体含有的线粒体DNA（mtDNA）可表现为损伤相关分子模式（DAMPs），通过结合Toll 样受体（TLR），Nod 样受体蛋白3（NLRP3）炎性小体以及与胞质环鸟苷酸-腺苷酸-干扰素基因刺激蛋白（cGAS-cGAMP-STING）传感信号通路的相互作用，从而激活炎症途径［17］。此外，有学者研究发现外泌体miRNA 可通过调控TLR 传导途径和核因子-kappaB（NF-κB）信号通路，从而调节炎症因子的循环水平，是细胞衰老和炎症相互作用的重要调节剂［18］。PICCA 等［19］对帕金森病（PD）患者和非PD 患者的血清进行分离纯化得到具有特定线粒体特征的外泌体（MDV），并通过多重免疫测定法证实循环中外泌体水平与全身性炎症正相关。外泌体参与调控衰老以及与增龄相关疾病的炎症机制的特性，可让其成为识别衰弱的新生物标志物和干预措施的潜在靶标。

1.3 外泌体与免疫系统 免疫系统老化又称免疫衰老，特征是衰老过程中发生的适应性免疫系统功能下降，是衰弱发展的潜在因素之一，并可导致老年人对衰弱的易感性增加［20］。抗原细胞衍生的外泌体携带多种抗原物质，包括微生物蛋白和多种调节性RNA，在细胞免疫和非细胞免疫过程中扮演着重要角色。抗原呈递细胞（APC）可将抗原细胞衍生的外泌体部分内化加工形成表面的肽/MHC 复合物（p-MHC），并呈递给T 细胞，从而激活T 细胞免疫活性，发挥免疫应答效应［21］。BELTRI 等［22］研究发现外泌体中的异质核糖核蛋白A2B1（hnRNPA2B1）与miRNA 结合后被磺酰化，可通过识别外泌体过度表达的短序列基序，控制特定的miRNA 装载进入外泌体囊泡，参与免疫应答过程，阐释外泌体miRNA 的免疫调节功能。由此可见，外泌体miRNA 在衰弱潜在的免疫衰老过程中具有高效的诊断及检测价值。

1.4 外泌体与内分泌系统 下丘脑-垂体轴具有调节糖皮质激素分泌、IGF 信号传导和雄激素的生成的功能，与衰弱的发生发展密切相关［23］。ZHANG 等［24］研究证实下丘脑神经干细胞源性外泌体miRNA 具有介导延缓衰老和衰弱的作用。IGF在细胞衰老和凋亡分子机制中发挥至关重要的作用，涉及衰老及与增龄相关疾病的病理生理过程。IGF 可通过上调外周循环中外泌体miRNA 水平调节NF-κB 信号通路，进而抑制神经元炎症［25］。过氧化物酶体增殖物激活受体γ（PPARγ）是全身脂质代谢和胰岛素敏感性的有效调节剂，有研究证实脂肪细胞源性外泌体miR-27a 可靶向PPARγ 诱导骨骼肌的胰岛素抵抗，进而导致骨骼肌葡萄糖摄取受损，骨骼肌质量下降以及骨骼肌蛋白合成减少，是衰弱的关键因素之一［26］。总之，外泌体在衰弱与内分泌系统相关效应中可能发挥潜在的调节作用。

1.5 外泌体与神经系统 有研究统计，超过1000 个miRNA靶向大约60%的基因，其中大约70%的miRNA 在大脑中表达，调节神经元和神经胶质细胞功能［27］。有研究发现，外泌体miR-29b 在神经元细胞成熟过程中靶向调节B 淋巴细胞瘤-2 基因（Bcl-2）家族的促凋亡BH3 蛋白Bim、Bmf、Hrk、Puma 和N-Bak，从而抑制神经元凋亡［28］。除此以外，外泌体蛋白质在调节神经发育、突触和血管形成方面发挥关键作用。认知功能下降和神经退行性疾病，如阿尔茨海默氏痴呆症（AD），与衰弱存在共同的病理分子机制［29］。MCBRIDE 等［30］研究证实间充质干细胞源性外泌体膜表面相关Wnt3a 蛋白可激活Wnt/βcatenin 信号传导途径，调节神经元生发过程，从而改善认知缺陷。病理性tau 蛋白在神经元的积累是AD 的主要标志，HIROHIDE 等［31］研究AD 小鼠模型发现小胶质细胞源性外泌体以旁分泌形式在神经元间传播tau 蛋白，导致tau蛋白的大量积累。外泌体在神经系统疾病中调节神经元功能的机理为研究衰弱的神经系统发展提供新的方向。

2 外泌体作为衰弱诊疗工具的可能

近年来，外泌体分离鉴定技术飞速发展，可大幅扩增生物体液中外泌体miRNA 的敏感性，从而使外泌体miRNA 成为衰弱等与增龄相关疾病的潜在可能生物标志物［32］。衰弱患者较健康老年人的外周循环中特定的外泌体miRNA 水平升高，证实外泌体miRNA 具有作为诊断衰弱生物标志物的可能性，其临床诊断价值相较于衰老相关分泌表型，更符合微量、微创、精度高的要求，但其在衰弱早期的变化尚待进一步的研究［10］。

多项证据表明，外泌体具有作为调节剂及药物载体的作用，且已有应用外泌体作为治疗与增龄相关疾病的工具，包括2 型糖尿病、骨质疏松症、骨关节炎、心血管疾病、神经退行性疾病和癌症［33］。以上证据支持外泌体miRNA 在疾病发生发展中存在动态变化趋势，具有监测治疗或疾病预后的潜力。近年来间充质干细胞源性外泌体作为临床疾病的替代治疗受到广泛的关注，CHOI 等［34］研究表明外泌体可触发干细胞向肌细胞分化，为外泌体应用于促进肌肉再生提供重要的生物证据。有文献证实间充质干细胞衍生的外泌体可以在相邻细胞间发挥信号传导作用，维持体内稳态微环境便于组织修复，作为用于治疗炎性疾病和组织损伤的潜在机理，且在此基础上进一步研究发现脂多糖（LPS）预处理的间充质干细胞源性外泌体可通过let-7b 穿梭靶向调节TLR4，从而缓解慢性炎症和促进皮肤伤口的愈合［35］。体力活动或锻炼是干预衰弱的重要措施之一。CHATURVEDI 等［36］体外研究表明，运动后心肌细胞衍生的外泌体miR-29b 和miR-455 水平上调，靶向结合MMP9 基因的3'区域并抑制其表达，从而下调糖尿病小鼠心脏组织中基质金属蛋白酶9 的有害下游影响。由此可见，以外泌体作为调节衰弱潜在干预靶标将为介导延缓衰弱提供更多可能。

3 讨论

衰弱是一个动态的、多方面的过程，早期诊疗对衰弱的改善或逆转至关重要，外泌体可作为敏感和特异性的衰老及衰弱潜在的生物标志物，帮助预测或提早干预衰弱的进程。基于分子、细胞等多层次，明确衰弱及衰弱前期患者外泌体蛋白质、miRNA 等功能性生物因子在细胞衰老及老年衰弱中的作用，以及外泌体miRNA 与衰弱相关信号通路的作用机制均有待进一步研究，从而为老年衰弱的临床诊疗提供新的靶点。