外泌体与疾病检测诊断的研究进展

2023-08-13彭文瑾吴格格李莉

科学咨询 2023年11期

彭文瑾，吴格格，李莉

（1.三峡大学基础医学院；2.三峡大学基础医学院人体解剖学教研室，湖北宜昌 443002）

外泌体特指直径在30～150nm的盘状囊泡蛋白质的小膜泡，因其形态而得名，是细胞外囊泡中体积较小的一种，其包含了复杂的RNA。近年来，随着人们对细胞结构的了解逐渐深入，人们发现外泌体在很多生理病理活动中起着重要作用，如免疫中抗原呈递、肿瘤的生长与迁移、组织损伤的修复等。所有培养的细胞均可分泌外泌体，外泌体天然存在于体液（包括血液、唾液、尿液、脑脊液和乳汁）中。外泌体可作为疾病诊断的生物标志物。不同细胞分泌的外泌体具有不同的组成成分和功能，因此，外泌体广泛存在且易于查找，具有极好的研究前景。利用外泌体来进行疾病的无创检测诊断是一种有望实现且大有裨益的重要手段。本文总结了近年来与外泌体成分和疾病诊断相关的研究，以探讨可行的疾病无创检测手段。

一、来源

1983年，外泌体（Exosome）首次于绵羊网织红细胞中被发现。1987年，Johnstone将其命名为“exosome”[1]。现在，外泌体特指直径在30～150nm的盘状囊泡。多种细胞在正常及病理状态下均可分泌外泌体。外泌体主要来源于细胞内溶酶体微粒内陷形成的多囊泡体，经多囊泡体外膜与细胞膜融合后释放到胞外基质中。

二、结构与功能

外泌体具有脂质双层膜结构，可保护其包被的物质，且能靶向进入特定细胞或组织中，是一个很好的靶向给药系统[2]。当外泌体由宿主细胞被分泌到受体细胞中时，外泌体可通过其携带的蛋白质、核酸、脂类等来调节受体细胞的生物学活性。外泌体介导的细胞间通信主要通过以下三种方式：一是外泌体膜蛋白与靶细胞膜蛋白结合，激活靶细胞内的信号通路；二是在细胞外基质中，外泌体膜蛋白被蛋白酶剪切，剪切的碎片可以作为配体与细胞膜上的受体结合，从而激活细胞内的信号通路；三是外泌体膜与靶细胞膜直接结合，非选择性地释放其所含的蛋白质、mRNA以及microRNA[3]。

三、相关疾病检测诊断

（一）脑疾病

张选琴等人[4]在研究中发现，血清外泌体miR-24可以反映腔隙性脑梗死患者颈动脉斑块硬化的严重程度，对预测老年患者进展性腔隙性脑梗死的发生具有较高的价值。Shao Naiyuan等人[5]的数据表明，miR-454-3p可以作为神经胶质瘤外泌体生物标志物，并可能被开发成神经胶质瘤的新疗法。有学者[6]通过研究，发现相较于对照组，急性缺血性脑卒中患者的血清外泌体miR-9和miR-12的表达水平显著提高，血清外泌体miR-9和miR-12可作为诊断急性缺血性脑卒中和评估缺血性损伤程度的潜在标志物。

（二）口腔鳞状细胞癌

有学者[7]发现，与健康个体相比，口腔鳞状细胞癌（OSCC）患者的唾液中，其外泌体miR-24-3p的含量更高。与肿瘤周围组织相比，miR-24-3p在OSCC肿瘤组织中的表达显著升高。

（三）甲状腺癌

刘静等人[8]的研究表明，在甲状腺癌患者血清外泌体中，miRNA-31和miRNA-21表达显著上调。Lee 等人[9]通过研究，发现甲状腺乳头状癌（PTC）患者癌细胞外泌体中的miRNA-146b和miRNA-222显著上调。

（四）食管鳞状细胞癌

Takeshita N等人[10]通过研究，发现在血清外泌体中，miR-1246作为食管鳞状细胞癌（ESCC）的一种新的诊断和预后生物标志物，具有很大的潜力。

（五）乳腺癌

Hannafon B N等人[11]的研究表明，乳腺癌患者血浆外泌体中的 miR-1246 和 miR-21 水平比正常对照组更高。这表明血浆中的miR-1246和miR-21是很好的乳腺癌指标。Zhang L等人[12]研究发现，在乳腺癌患者的唾液中，八种mRNA生物标志物（S100A8、CSTA、GRM1、TPT1、GRIK1、H6PD、IGF2BP1、MDM4）和一种蛋白质生物标志物碳酸酐酶VI（CA6）作为乳腺癌非侵入性检测的生物标志物，具有较高的特异性和敏感性。

（六）心脏疾病

Mu n D等人[13]的研究发现，5种循环外泌体miRNA的表达水平（包括miR-103a、miR-107、miR-320d、miR-486和miR-let-7b）在持续性房颤患者中升高了4.5倍以上。在心肌梗死患者循环外泌体中，心肌细胞来源的miR-1、miR-133、miR-208和miR-499表达量升高[14-15]。Kuwabara Y等人[16]通过研究，发现在急性心肌梗死、不稳定型心绞痛和心碎综合征（Takotsubo心肌病）患者中，其血清 miRNA中的miR-133a水平显著升高。心血管疾病患者的 miR-133a 水平升高主要源于损伤的心肌细胞。miR-133a可作为心肌细胞死亡的标志物，在心血管疾病中可能具有作用。

（七）肺癌

Li Y等人[16]发现亮氨酸的α-2-糖蛋白（LRG1）在非小细胞肺癌（NSCLC）患者的尿外泌体和肺组织中表达水平较高，表明LRG1可能是尿液中NSCLC非入性诊断的候选生物标志物。Hua Xiao等人[17]通过研究，发现三种唾液蛋白（HP、AZGP1和human calprotectin）在肺癌患者和健康对照受试者中表现出显著差异，有可能用作区分肺癌患者与健康对照受试者的鉴别性生物标志物。

（八）胃癌

研究发现，胃癌患者肿瘤组织和血清中外泌体lncRNA NEAT1[18]、miR-221[19]、miR-21、miR-320c、miR-1225-5p[20]的表达水平显著升高。

（九）肝脏疾病

1.肝癌

肝硬化期、原发性肝癌（HCC）早期和 HCC晚期的浆液性外泌体数量显著高于正常肝脏。相关研究表明外泌体在早期发现 HCC 方面具有重要意义[21]。也有实验表明，小鼠或人肝星状细胞外泌体中的microRNA-214 对结缔组织生长因子的表观遗传调控导致了肝细胞癌变[22]。Fang T[23]通过研究，发现肝癌患者血清外泌体中miR-1247-3p的高表达与肿瘤肺转移呈正相关。

2.非酒精性脂肪性肝病

TA N 等人[24]发现，在非酒精性脂肪性肝病（NAFLD）患者的血清外泌体中，其miR-122-5p、miR-1290、miR-27b-3p、miR-192-5p、miR-148a-3p 和miR-99a-5p表达明显上调。其中，miR-122-5p 的上调最为显著，诊断NAFLD的敏感性高达93.4%。有学者通过研究，发现9种外泌体miRNA（miR-34a、miR-192、miR-27b、miR-122、miR-22、miR21、miR-197、miR-30c和miR-16）与非酒精性脂肪性肝病（NAFLD）的严重程度相关[25]。其中，miR-34a、miR-192和miR-122与非酒精性脂肪性肝炎（NASH）相关，miR-30c与肝纤维化相关。血清中miR-34a 和 miR-122的水平较高，并且miR-122、miR-192和 miR-27b可高度准确地预测NAFLD的发生发展。此外，与药物性肝损伤患者相比，miR-192、miR-27b、miR-22、miR-197和miR-30c对NAFLD 表现出较好的特异性。在NAFLD诊断的特异性和敏感性方面，多外泌体miRNA的联合检测具有更好的诊断价值。

（十）胆管癌

WANG S等人[26]通过研究，发现在胆管癌细胞系分泌的外泌体中，circ-0000284的表达增多，并具有明显的促进迁移、侵袭的能力。胆管癌患者血清外泌体的miR-200c-3p显著上调。表达水平越高，胆管癌的进展速度越快[27]。miR-205-5p过度表达可使胆管癌细胞恶化速度加快[28]。

（十一）胰腺癌

邰萍等人[29]通过研究，发现胰腺癌患者血浆外泌体中的circ-BCAS3有异常高表达。

Zhang L等人[30]的研究表明，四种唾液RNA生物标志物（KRAS、MBD3L2、ACRV1和DPM1）的组合检测可将胰腺癌患者与非癌症受试者（慢性胰腺炎）区分开来，灵敏度为90.0%，特异性为95.0%。

Lau C等人[31]检测了小鼠胰腺癌的20种候选唾液转录组生物标志物的表达。与非癌对照组相比，在胰腺癌荷瘤小鼠唾液中，20种候选标记物中，有7种（Apbb1ip、Aspn、BCO31781、Daf2、Foxp1、Gng2和Incenp）标记物得到验证并显著升高。在这7种标记物中，有6种（Apbb1ip、Daf2、Foxp1、Incenp、BCO31781和gng2）在荷瘤小鼠的血清和唾液来源的外泌体中均上调。

（十二）肾脏疾病

陈笑等人[32]通过研究，发现血清及尿液外泌体中miR-93-5p的表达与肾小管间质损伤相关。尿液中miR-29c的表达水平随肾纤维化的进展而降低，尿液外泌体中的miR-29c可能是肾间质纤维化（RIF）的指标[33]。Lv L L等人在尿外泌体中发现了高水平表达的miR-19b-3p，其与糖尿病肾病患者肾小管间质炎症的严重程度相关[34]。也有研究发现，与健康对照相比，肾病患者的尿外泌体 mRNA-CD2AP表达下调，并且与肾功能和肾纤维化严重程度相关[35]。在慢性肾病（CKD）患者的尿液外泌体中，miR-29 和miR-200 家族的表达水平显著下调。在尿液外泌体中，miR-29c的表达水平可用于反映肾功能和组织学纤维化程度。这表明miR-29c是一种新的无创性肾纤维化标志物[36]。

（十三）肠病

1.结肠直肠癌

有研究显示，结肠癌来源外泌体可以通过上调miR-18a的表达、下调NKG2D的表达、抑制NK细胞的杀伤作用来介导结肠癌细胞的免疫逃逸[37]。Huang L等人[38]通过研究，发现血清外泌体中miR-19a的表达可作为结直肠癌患者复发的预后生物标志物。miR-19a的高表达与淋巴结转移有关，淋巴结转移是结直肠癌预后的重要因素，在 TNF-α诱导的结直肠癌（CRC）细胞上皮—间充质转化（EMT）中能起到重要作用。Ogata-Kawata H通过比较临床病例和细胞系的miRNA谱，发现原发性结直肠癌（CRC）患者的八种血清外泌体miRNA（let7a、miR-1224-5p、miR-1229、miR-1246、miR-150、miR21、miR-223和 miR-23a）的表达水平显著升高，并且在手术后下调[38]。

2.炎症性肠病（IBD）

有学者分析了炎症性肠病（IBD）患者的粪便，发现miR-155和miR-223高表达，并且miRNA表达量与疾病活性相关。miRNAs可能是进一步研究IBD的潜在生物标志物。Zheng X等人的研究[39]显示，在IBD患者的唾液外泌体中，蛋白酶体亚单位a7型（PSMA7）水平明显高于健康对照组。PSMA7在IBD患者的唾液中高表达，且仅在IBD患者中表达。TKT、TLN1、WDR1、NUCB2、BASP1、PSMB7、IGHV4OR仅在IBD患者的唾液中表达。

（十四）卵巢癌

Pan C等人[40]通过研究，发现血浆外泌体中miR-16、miR-21、miR-92a、miR-200b和miR-200c的表达水平与上皮性卵巢癌（EOC）患者的临床病理风险参数之间存在着显著相关性，上皮性卵巢癌和卵巢囊腺瘤患者的外泌体中存在特定的miRNA模式。Li W等人[41]的研究结果表明，肿瘤相关成纤维细胞（CAF）来源的外泌体参与了卵巢微环境和上皮细胞之间的相互作用。转化生长因子β1（TGFβ1）在卵巢癌CAF外泌体中的表达水平明显高于正常网膜成纤维细胞。TGFβ1在CAF来源的外泌体中富集，并转移到了卵巢肿瘤细胞，促进了卵巢癌中的上皮间质转化（EMT），启动了肿瘤的进展和转移。TGFβ1在CAF来源外泌体中的作用使卵巢癌细胞进入更具侵袭性的表型，靶向作用CAF外泌体可能是一种治疗卵巢癌的方法。

（十五）宫颈癌

有研究发现，宫颈癌细胞外泌体将miR-21转移至淋巴管内皮细胞的细胞质中，并抑制miR-21的靶基因PTEN，通过激活PI3K/AKT信号通路，进而促进体外淋巴管的生成，从而诱导宫颈癌的转移[42]。miR-21-5p、miR-146a-5p在宫颈癌组织中高表达，miR-146a-5p、miR-151a-3p和miR-2110在宫颈癌患者血浆外泌体中表达上调[43]。

（十六）神经系统疾病

徐宏炎等人的[44]研究表明，重症肌无力患者（眼肌型和全身型）的外泌体miR-1224-5p表达显著升高，全身型尤其显著。这进一步表明了miR-1224-5p的相对表达量与重症肌无力定量评分（QMGS）呈正相关。

研究表明，血浆外泌体miRNA miR-342-3p可能成为阿尔茨海默症诊断的标志物[45]。Yang 等人[46]通过研究，发现阿尔茨海默症（AD）患者外周血中外泌体miR-135a和miR-384的水平均上调，而miR-193b的水平下调。外周血和脑脊液中的外泌体miRNA有望成为诊断AD的潜在生物标志物。

Gui等人[47]通过研究，发现与健康对照组相比，帕金森病（PD患者脑脊液外泌体中的miR-1和miR-19b-3p表达下调，而 miR-153、miR-409-3p和miR-10a-5p的表达上调。有研究显示，miRNA19b、miRNA195 和miRNA24可作为PD诊断的潜在候选生物标志物，具有特异性和敏感性[48]。

Ma J等人[49]通过研究，发现神经母细胞瘤患者血浆来源的外泌体中的hsa-miR199a-3p表达明显上调，并与神经母细胞瘤患者的肿瘤恶性程度密切相关。

四、应用

外泌体由于其所包含的细胞组织内容物具有明显的组织特异性，使得其能够成为早期恶化肿瘤诊断的一个生物标志。外泌体能够作为一种载体，携带多种生物分子和药物分子，用于肿瘤的诊断与治疗。因此，外泌体已被逐渐应用于肿瘤诊断和治疗。据陈文丽等人[50]统计，外泌体在肿瘤诊疗中拥有应用专利，相关专利中出现频次较多的有：肺癌、肝癌、乳腺癌、胶质瘤、胃癌等。这说明外泌体影响多种肿瘤的发生发展，在肺癌、肝癌、乳腺癌、胶质瘤、胃癌等多种肿瘤的诊断与治疗中具有良好的应用前景。