外泌体在糖尿病心肌病中的作用机制和临床应用的研究进展

孙庆，米庆，王璐，牟华明

作者单位：1川北医学院临床医学院，四川 南充 637000；

2重庆大学附属三峡医院，a心血管内科，b内分泌科，重庆 404000

近年来，随着经济的迅速发展及生活方式的转变，我国的成人糖尿病（diabetes，DM）的患病率逐步上升，已达11.9%［1］。而糖尿病心肌病（diabetic car⁃diomyopathy，DCM）是糖尿病常见的心血管并发症之一，其特征包括心肌细胞肥大、心肌间质纤维化和心脏舒张功能障碍［2-3］。糖尿病心肌病的作用机制尚未明确，较为复杂，有研究认为主要与心脏氧化应激、炎症、钙离子通道障碍、心肌细胞凋亡及纤维化、微血管病变等有关［4］。外泌体（exosomes）是膜外囊泡的一种，直径为30~100 nm，1987年于哺乳动物成熟的网织红细胞首次发现［5］，并广泛存在于人体血液、尿液、唾液、乳汁、支气管肺泡灌洗液、精液、关节液及脑脊液等体液中。目前，我国关于外泌体在糖尿病并发症之一的糖尿病肾病（diabetic nephropathy，DN）中的相关研究并不少见，但关于其在DCM 发病机制中的作用的报道却很少［6］。现对外泌体在DCM 中的作用机制和临床应用等方面进行综述。

1 外泌体的基本概述

外泌体是各种活细胞通过主动分泌排出细胞膜外的脂质双分子层小囊泡［7］，主要由核酸、蛋白质构成。核酸组分有mRNA、miRNA 等。蛋白质包含四跨膜蛋白超家族，如CD9、CD63等；以及参与生物功能的分子，如肿瘤易感基因101蛋白、热休克蛋白等［8］。外泌体在细胞间的通讯中占据重要的地位［9］。Vorselen 等［10］最近首次描述了外泌体的机械特性。外泌体进入细胞有三种作用方式。①进入受体细胞后，“货物”（如小分子药物、蛋白质类、核酸等）被释放到细胞质中，并重新形成多泡体；②将“货物”释放进入胞质，但自身与细胞质膜融合；③其配体与细胞膜上的特定受体结合，通过信号转导通路与内吞通路，携带“货物”进入细胞［11］。随着研究的深入，外泌体在干细胞、免疫、靶向给药等领域发挥着越来越重要的作用。

2 外泌体在DCM中的作用机制

研究发现，糖尿病死亡人数80% 以上由糖尿病心肌病等心血管并发症引起［12］。外泌体通过细胞间信息转导参与心血管系统的病理生理过程，其所含的不同物质会对心肌细胞产生不同的影响［13］。

2.1 外泌体miRNA 与DCM外泌体miRNA 是一类非编码的小RNA。miRNA 在生理及病理状态下的细胞、组织的调控中有着独特的作用。来自不同实验室的数据显示，糖尿病并发症的发生与某些特定的miRNA 在不同组织中的表达水平改变有关系。研究表明，在糖尿病状态下，外体miRNA 被受体细胞摄取，参与胰腺β 细胞损伤和胰岛素抵抗调控过程［14］，并发挥其生物学功能，从而调节DCM、糖尿病视网膜病变（diabetic retinopathy，DR）、DN 等糖尿病相关并发症的发生发展。外泌体miRNA 正逐渐成为糖尿病发展的关键调节因子［14］。其中，miR-133是在研究糖尿病性心脏并发症的进程中第一个发现改变的miRNA。miR-133 通过作用于不同的靶基因而控制心肌细胞的肥大，其调节的靶基因有Cdc42（一种信号转录激酶）、Nelf-A/WHSC2（一种与心脏发育相关的核因子）和RhoA（一种控制心肌肥大的GDP/GTP 交换蛋白）［15］。另外有报道miR-146a可通过作用于下游靶基因白细胞介素1受体相关激酶 1（interleukin-1 receptor-associated kinase 1，IRAK1），调控TLR/ILIR 炎症信号通路，miR-146a 表达降低将进一步抑制血管新生，降低心肌细胞葡萄糖摄入，影响心肌血供和能量代谢，最终导致心室重构和心力衰竭［16］。

2.2 热休克蛋白20 介导的外泌体与DCM热休克蛋白20（heat shock proteins-20，Hsp20）是热休克蛋白（Hsp）家族中的一种伴侣蛋白。Hsp20 具有抗氧化作用，而氧化应激是糖尿病心血管并发症的主要作用机制［17-18］。Wang 等［19］发现心脏特异性过表达Hsp20可通过调节心肌细胞外泌体的分泌而显著减轻糖尿病所致的心功能障碍和心室重塑，心脏中Hsp20 水平的升高可以预防糖尿病心肌病，这也与保护性外泌体分泌增加有关。其次，作者还发现Hsp20 通过与Tsg101（一种已知的激活外泌体生物发生/释放的因子）直接相互作用来促进心肌细胞外泌体的生成。外泌体进一步通过自分泌与旁分泌方式，减轻糖尿病所致心肌损伤。

2.3 外泌体Mst1 蛋白与DCMMst1（mammalian sterile 20-like kinase 1）作为参与细胞凋亡和自噬等途径中的关键蛋白质，在由糖尿病引起的心脏并发症中发挥着重要的作用。处于心肌内皮细胞的外泌体Mst1 蛋白主要通过抑制葡萄糖的摄取，导致能量代谢异常，进而引起一系列病理改变［20］。糖尿病病人持续的高血糖状态会对身体多个部位组织器官造成继发性损伤。Hu等［21］研究表明，糖尿病心脏微血管内皮细胞（CMECs）在高血糖环境下更容易受到影响，其释放的外泌体携带着Mst1 蛋白，它能够激活一系列放大心肌细胞损伤的级联反应。心肌细胞接受信号后会导致自噬进一步减少而加剧细胞凋亡，导致心功能进行性下降。此外，外泌体Mst1 蛋白还能抑制高糖培养心肌细胞的GLUT4 膜转位，导致葡萄糖摄取减少［21］。

3 外泌体在DCM中的临床应用

外泌体含有大量核酸、蛋白质，可在疾病的不同阶段被识别，并且具有很强的稳定性，可以作为糖尿病心肌病的生物标志物。无论是在早期诊断、还是在治疗靶点等方面都具有重要的研究价值。有证据显示高浓度的miR-133 可以抑制心肌肥大，而通过使用miRNA 抑制剂使miR-133 表达降低后能显著引起心肌肥大［22］。另一方面，已经有研究发现， 与普通2 型糖尿病病人相比，尿源性外泌体miR-877-3p 在糖尿病肾病病人体内有差异性表达（>2 倍）［23］。因此，通过检测血液中或者尿液中的外泌体miRNA，可能在DCM的早期诊断中也发挥关键作用［24］。此外，也可以通过联合检测miRNA-133、miRNA-146a、miRNA-34a等多种外泌体miRNA来提高对糖尿病心肌病诊断的特异性。

外泌体广泛、稳定地存在于循环系统体液中，其不仅通过严密的分选机制将细胞内的RNA、蛋白质传递至心肌细胞发挥作用，还可以作为药物运载工具及治疗载体［25］。2015 年的一项研究［24］发现，通过移植来源于间充质干细胞外泌体能显著提高心肌细胞的存活率，防止心肌细胞受损，促进新生血管生成，并改善心脏功能。黄然然等［26］也发现来源于脐带间充质干细胞外泌体对糖尿病模型小鼠心肌纤维化的保护作用。Lin 等［27］进一步研究发现骨髓间充质干细胞来源的外泌体通过抑制转化生长因子-Smad1/β2 信号通路改善糖尿病心肌损伤和纤维化。目前也有研究表明，外泌体在糖尿病心肌病中的治疗作用可能有以下几种机制参与：①外泌体诱导干细胞向受损的心肌转运，补充受损心肌［28］；②干细胞来源的外泌体通过血液循环移至受损心肌，参与心肌修复等。各种从干细胞中分离出的外泌体的相关研究证明了其在减少心肌纤维化和改善心功能方面的潜在作用［29］。动物实验发现，通过沉默糖尿病小鼠心肌微血管内皮细胞提取的外泌体Mst1 蛋白［30］，可以使其对心肌细胞损伤的作用减轻。同时这也表明，针对功能异常的外泌体靶向治疗可能为预防和治疗糖尿病的心血管并发症的发生发展带来新的希望［31］。

4 展望

与糖尿病相关的相当多的心血管风险表明，针对糖尿病的发病机制，及早采取预防措施可能会在降低心血管并发症死亡率方面取得更大的成功［32］。而外泌体具有易于分离、免疫原性低、稳定性好、靶向性强等优势，与糖尿病心肌病生理和病理变化密切相关［33］，被认为是诊断糖尿病心肌病的一个很有前景的分子标志物。

目前，精准医疗是一个快速发展的医学领域［34］。有研究［35］显示，可以通过测量外泌体mi-RNA 来检测糖尿病心肌病处于什么阶段，从而建立更有效的治疗策略，作出更佳的临床决策。然而，寻找高度灵敏且特异的外泌体检测方法仍然是一项艰巨的挑战。有研究提出了一种基于球形核酸（SNA）的级联信号放大策略，用于高灵敏度的外泌体检测。但目前，外泌体对糖尿病性心肌病的影响的相关临床研究试验数据较少，仍需要花更多时间去探索。应当从外泌体的分离纯化入手，进一步优化外泌体的纯化方法，为后续的鉴定和功能研究提供良好的基础，使外泌体可用于糖尿病心肌病的早期临床诊断和治疗。