外泌体参与调控糖尿病病理过程的研究进展

陈雪岚 孙本乐 王 霞

滨州医学院口腔医学院，山东烟台 264003

外泌体（exosomes，Exos）又称细胞外囊泡，几乎所有类型的细胞都可分泌，其内含丰富的生物调控物质[1]，能够通过内吞作用及受体相互作用进行细胞间信号传导，可以反映来源细胞的状态，亦可以参与生理或病理过程[2]。Exos能够在机体代谢出现问题时启动信号通路，参与疾病的发生发展。糖尿病（diabetes mellitus，DM）作为一种全身代谢性疾病，当患者血糖持续升高未得到有效控制时能够产生炎症反应，严重者可出现感染或出现心脑血管并发症、肾脏病变、视网膜病变、周围神经病变等并发症。Exos可通过细胞间信号的传导调控胰腺β细胞的活性，影响胰岛素（insulin，INS）的分泌；通过对免疫细胞和成纤维细胞的调控，促进炎症反应；通过细胞间信号通讯调节血管内皮细胞的增殖、迁移等影响新生血管的形成。此外，Exos还可通过免疫调节、运输载体装载药物抵达靶器官，促进难愈性创面愈合和缓解组织损伤[3]。本文就Exos的特性进行阐述，重点介绍其参与调控DM病理机制的研究进展。

1 Exos的定义及成分

Exos是细胞主动分泌的纳米级球形脂质双分子层细胞外囊泡，可以被几乎所有类型的细胞（如树突状细胞、肥大细胞、内皮细胞等）释放到几乎所有的体液（如尿液、唾液、血液、脑脊液等）中，为细胞胞吞后再由细胞膜结构内陷后形成多泡体，与质膜相互融合，使管腔内囊泡由细胞内向细胞外环境进行释放而成[4]。Exos一般直径为40～100 nm，含丰富的DNA和RNA、蛋白质和多肽、脂类、活性细胞因子、转录因子受体、小分子代谢物等生物调控物质，如促进细胞信号传导的四跨膜蛋白超家族和整联蛋白，也包含运输的膜运输蛋白和融合蛋白（如鸟苷三磷酸酶）、一些共刺激分子和黏附分子、保护机体的热休克蛋白（heat shock proteins，HSPs）等[5]，另外还有一些来源于抗原提呈细胞的特异性成分（如MHC-Ⅰ和Ⅱ分子）。Exos可以通过某些受体、内吞作用或膜融合实现细胞间信号的交流与物质的交换，激活信号通路，作用于生理或病理过程中来影响细胞发生相对应的生物反应，且其组成和数量皆可因不同刺激改变而诱导靶细胞发生不同反应，因此Exos可以反映来源细胞的状态，亦可以参与生理或病理过程。研究表明，Exos包含的核酸成分，如microRNA的衔接配对可以使受体细胞发生变化，调控mRNA稳定性，参与免疫反应、血管生成[6]；mRNA在翻译成相对应的蛋白质后能发生级联反应开始信号传递来诱导生物反应。

还有研究发现，Exos因其分布广泛、能在细胞间通讯的特性，可作为载体来装载药物到达靶器官应用于疾病的治疗[7]。不同来源的Exos具有不同的功能，如间充质细胞Exos在组织再生中能够进行免疫调节；干细胞来源的Exos具有消炎作用，可以促进糖尿病难愈性创面愈合；尿源干细胞Exos可以缓解肾功能损害等。

2 Exos参与调控DM胰岛素分泌

糖尿病是以高血糖为特征的代谢类疾病，主要分为1型和2型。1型糖尿病（type 1 diabetes mellitus，T1DM）为自身免疫缺陷引起，因分泌INS的β细胞受损导致INS缺乏；2型糖尿病（type 2 diabetes mellitus，T2DM）则是机体因多种因素产生了INS抵抗或INS分泌不足。虽然二者病因不同，但随着疾病的发生发展皆能引发免疫反应与代谢反应。因此，胰腺β细胞的功能与INS水平的功能与DM的诊断与治疗密切相关。Exos可通过细胞间信号的传导调控胰腺β细胞。研究发现，DM状态下胰腺β细胞衍生的Exos microRNAs的释放受高血糖影响，以此调节胰腺β细胞的活性。Exos还能诱导受体靶细胞产生促炎作用，如DM前期β细胞Exos miR-29通过miR-29-肿瘤坏死因子受体相关因子3（TNF receptor associated factor 3，TRAF3）轴介导的方式来促使巨噬细胞和单核细胞诱导炎症反应，从而导致INS抵抗，促进DM的进展[8]。

有研究表明，T淋巴细胞释放的Exos内含有活性的miR-142-3p、miR-142-5p和miR-155，可以诱发胰腺β细胞凋亡机制与趋化因子表达，进一步促进了免疫细胞聚集，引发自身免疫攻击，促进炎症反应，导致β细胞加速死亡，最终机体因INS水平降低而发生INS抵抗[9]，引发T1DM。而在T2DM的研究中，胰岛巨噬细胞M1水平升高，介导的炎症反应增强并参与损害β细胞，M1衍生的Exos miR-212-5p靶向sirtuin 2基因，参与β细胞中的Akt/GSK-3β/β-连环蛋白途径，抑制INS分泌[10]，引发INS抵抗。有学者通过高脂高糖（high-fat diet， HFD）喂养小鼠建立T2DM模型，发现HFD小鼠体内的骨髓巨噬细胞向M1极化，其Exos miR-143-5p水平升高，通过抑制蛋白激酶磷酸酶-5（MAP kinase phosphatase-5，MKP5）诱导肝细胞抑制INS信号通路，促进炎症并出现INS抵抗[11]。另有学者对Exos的脂质组成进行研究，发现HFD使小鼠体内Exos的脂质组成由正常的磷脂酰乙醇胺（phosphatidylethanolamine，PE）变为了磷脂酰胆碱（phosphatidylcholine，PC），PC与芳香烃受体（aryl hydrocarbon receptor，AhR）结合能产生INS抵抗[12]。

此外，研究表明脂肪组织衍生的Exos被释放至外周血中后，将单核细胞分化成巨噬细胞，巨噬细胞活化后不仅有促炎作用，还可以在联合TLR4/RBP4通路的情况下阻断INS作用，引起INS抵抗[13]。脂肪细胞Exos miR-378参与脂质代谢过程，其表达与促进INS抵抗呈现正相关，因而对INS分泌有抑制作用，促进INS抵抗[14]。

3 Exos参与DM炎症反应

Exos参与DM炎症反应的过程，如脂肪组织衍生的Exos能够转移到外周血的单核细胞，分化出具有活性的巨噬细胞，巨噬细胞产生促炎因子TNF-α和 白 介 素6（interleukin，IL-6），促 进 炎症反应的发生。有学者对糖尿病足（diabetic foot，DF）病变进行研究，发现DF成纤维细胞中含有高水平的miR-152-3p、低水平的LncRNA H19和磷酸酶张力蛋白同源物，以及存在活化的磷脂酰肌醇-4，5-二磷酸PI3K/Akt1信号通路。当使用间充质干细胞含有的高水平LncRNA H19经Exos作用传递至成纤维细胞时，成纤维细胞所含的miR-152-3p与LncRNA H19相 结 合 后，抑制了miR-152-3p介导PTEN，可促进成纤维细胞增殖并抑制细胞凋亡，起到抗炎作用并能够促进伤口愈合[15]。与DM相关的牙周炎中唾液Exos miR-25-3p促进了牙周炎的进展，其数量较正常人多2倍，且HFD诱导肥胖的小鼠模型的牙龈和区域淋巴结的促炎细胞也较正常小鼠模型增加[16]。DM脑卒中病变中巨噬细胞也向M1极化促进炎症反应，有研究表明DM卒中小鼠的血清和脑组织中miR-126 表达较正常小鼠降低，miR-126作为一种血管生成的miRNA，其作用为促进血管生成和调节炎症。当使用携带高表达miR-126的Exos对DM小鼠进行治疗时，发现能够有效改善神经轴突、髓突密度、血管密度及动脉直径，并诱导M2巨噬细胞极化具有抗炎作用[17]。由此可见，DM中Exos能够通过对免疫细胞和成纤维细胞的调控，使机体处于慢性炎症状态，来达到促进炎症反应和抑制伤口愈合的作用。

4 Exos参与调节DM血管及微血管内皮功能

血管内皮细胞功能障碍是DM的主要病理学特点。Exos能通过细胞间通信对DM内皮细胞功能进行调节。高血糖条件下，血液Exos可诱导内皮功能发生障碍。DM内皮细胞功能障碍与一氧化氮（nitric oxide，NO）的抑制、失活存在一定的关系。DM患者或DM小鼠模型血浆中的Exos可以调节血管内皮功能，其内含有丰富的精氨酸酶1（arginase 1，ARG1），通过调节L-精氨酸来抑制内皮细胞产生NO，导致血管内皮发生功能障碍。ARG1含量升高或减少主要来源于Exos变化，当使用抑制Exos产生的药物时，Exos的含量将减少，ARG1则会受到抑制[18]。相反，ARG1升高即导致内皮细胞产生氧化应激反应，使L-精氨酸与一氧化氮合酶（nitric oxide synthase，NOS）相互竞争，NOS解偶联，NO浓度下降，活性氧（reactive oxygen species，ROS）增加[19]，可以加重DM血管病变。当NO浓度上升，ROS减少时，对血管产生的有害作用明显降低，血管内皮功能可以得到改善，从而改善DM血管病变。因此，DM中Exos富含的ARG1能加重DM内皮功能障碍及血管病变。

研究发现，DM能够导致血管平滑肌细胞（vascular smooth muscle cells，VSMCs）钙 化 或 者 老化，DM人 脐 静 脉 内 皮 细 胞（human umbilical vein endothelial cells，HUVEC）衍 生 的Exos能 够 运 输到VSMCs，且HUVEC-exo内 富含NOTCH3蛋 白 与mTOR信号相关，因而促进了VSMCs钙化或者老化。除此之外，高糖条件下还能够促使骨钙素和p21表达升高，产生矿化结节和SA-β-gal阳性细胞，这些都能参与调节VSMCs钙化或者老化[20]，因而引发各种血管及微血管的并发症。研究表明T2DM的血浆Exos中铜转运蛋白ATP7A减少，ATP7A能够活化超氧化物歧化酶-3（superoxide dismutase-3，SOD3），催化超氧阴离子自由基歧化为过氧化氢（hydrogen peroxide，H2O2），当H2O2水平升高时，能够增强内皮细胞的血管形成。因而当Exos中的ATP7A减少时，能够抑制内皮细胞血管形成[21]，引发内皮功能障碍。

有学者建立T2DM专用Goto-Kakizaki（GK）大鼠模型研究发现，GK心肌细胞Exos中含有过表达的miR-320，经运输至内皮细胞，抑制内皮细胞迁移、增殖与管形成，参与血管内皮功能障碍[22]。此外，糖尿病视网膜病变（diabetic retinopathy，DR）中的Müller胶质细胞Exos含有高表达的miR-9-3p通过与1-磷酸鞘氨醇受体（sphingosine 1-phosphate receptor，S1P1）结合促进视网膜内皮细胞增殖及血管形成[23]，导致血管内皮功能障碍引发DR。

5 Exos参与调控DM晚期器官损伤

当DM进展至晚期，因长期持续处于高血糖条件下，糖基化终产物累积，全身重要器官出现严重并发症。Exos能够在全身器官及循环中发挥作用，其在细胞间传递活性物质带来的害处或益处取决于Exos内所含内容，如其内含有的HSPs的水平表达就能随着变化有着不同的作用。热休克反应是一种细胞的应激反应，也是一种内在的防御机制，其表达增多能够保护细胞和组织，相反其表达降低可以引起细胞和组织功能障碍。当心肌细胞Exos含有高水平的HSP20时，可以保护DM小鼠的心脏。DM心肌细胞释放的有害Exos含有低表达HSP20，则可引起心脏功能障碍、肥大、微血管减少等问题[24]。

除HSPs外，来源于DM心 肌 细胞的Exos含有对心脏有损害的高水平miR-320，也可以促使心脏内皮细胞功能发生障碍[25]。在糖尿病心肌病（diabetic cardiomyopathy，DCM）中，心脏微血管内 皮 细 胞（cardiac microvascular endothelial cells，CMEC）衍生的Exos高表达的TGF-β1 mRNA能转运至心肌细胞参与调节细胞凋亡、自噬、和糖代谢，促使心脏成纤维细胞活化，介导细胞外基质重构，促进血管周围和间质纤维化[26]，进一步加重了DCM。此外，研究表明骨髓巨噬细胞能够通过Exos携带高表达人抗原R（human antigen R，HuR）RNA结合蛋白转移至心脏成纤维细胞激活炎症反应及促纤维化[27]。

DM患者还时常因骨密度低或骨质量及强度受损合并血管病变而极易发生骨折，其治疗效果及预后也较普通患者更差。研究发现，DM的持续高血糖状态会损伤骨髓间充质干细胞来源的Exos，致其促血管生成和促成骨作用受损，影响血管再生和骨再生[28]。而DM骨髓衍生巨噬细胞的Exos miR-144-5p被证明能够抑制骨再生。

在糖尿病肾病（diabetic nephropathy，DN）的试验研究中，高糖条件下肾小管细胞分泌的Exos减少、叉头转录因子1（forkhead box transcription factor O1，FOXO1）磷酸化失活，都与肾小管细胞参与Exos分泌的RAB27B特异性下调、抑制相关[29]，该Exos可以促进成纤维细胞增殖与活化，促进肾脏病变发展，进而导致肾间质纤维化。在DM足溃疡（diabetic foot ulcer，DFU）时，Exos miR-15a-3p表达升高，NOX5被抑制，活性氧ROS释放减少，内皮细胞因此受损，延缓了伤口愈合[30]。除内皮细胞受损伤口愈合缓慢外，研究表明DM中过表达的miR-20b-5p也能抑制伤口愈合，其不仅能增加基础糖原合成调节代谢，还可以转移到人皮肤成纤维细胞（human skin fibroblast，HSF）中抑制血管内皮生长因子A（vascular endothelial growth factor A，VEGFA）的表达，以达到损害伤口愈合的作用[31]。此外，糖尿病增殖性视网膜病变（proliferative diabetic retinopathy，PDR）也是DM晚期一种严重的并发症，有学者研究发现视网膜色素上皮细胞ARPE19来源的Exos miR-202-5p在PDR中表达水平升高，其经过细胞间通信能够转运到HUVEC，miR-202-5p靶向TGF-βR2且两者表达呈负相关，抑制HUVEC细胞增殖、迁移、血管生成和病理性纤维化的内皮-间质转化[32]。因此，PDR中高表达的miR-202-5p可以减轻病理性纤维化，延缓视网膜病变的发展，为治疗PDR提供途径。

6 小结

综上所述，Exos参与调控胰岛素的分泌、炎症反应、血管内皮功能和全身各器官损伤，有促炎、抑制伤口愈合、促肾脏纤维化、促心脏损伤等作用，也有帮助机体减轻炎症、改善细胞损伤、减轻视网膜纤维化病变的作用，其参与调控产生的修复和损伤作用皆与其携带的活性物质靶向有关。因此，了解DM病理过程中外泌体携带的活性物质靶向机制有可能为DM及其并发症提供新的治疗思路。