外泌體在心肌梗死中的研究進(jìn)展

安琪 楊建強(qiáng) 徐長慶 張力 綜述 田野 審校

(哈爾濱醫(yī)科大學(xué)病理生理學(xué)教研室，黑龍江 哈爾濱 150086)

心肌梗死是由于冠狀動(dòng)脈血栓形成導(dǎo)致的急性心肌缺血，其發(fā)病率高居不下。盡管現(xiàn)在急性心肌梗死后有急診溶栓和介入等治療方法，可以減輕最初的心肌損害，但并不能解決大量心肌細(xì)胞損失的問題，存活的患者仍然有極大的心肌重塑，從而發(fā)生心力衰竭的可能，因此還需要更為理想的方法來促進(jìn)心肌修復(fù)，從而最大可能減輕后續(xù)的心室重構(gòu)，以保證心臟功能。外泌體作為一種可以遠(yuǎn)近距離傳遞生物信息的載體，在心肌梗死后，通過誘導(dǎo)骨髓干細(xì)胞遷移，促進(jìn)血管新生，起到了心肌保護(hù)作用。進(jìn)一步研究外泌體在心肌修復(fù)中的確切機(jī)制，將有助于為臨床治療心肌梗死提供新的靶標(biāo)。目前通過細(xì)胞移植來治療心肌梗死的方法，確實(shí)能夠減小心肌梗死面積，改善心臟功能，已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)證明移植細(xì)胞不僅代替了受損心肌，其所分泌的外泌體也起到了改善心臟功能的作用?，F(xiàn)從外泌體的特性，心臟和干細(xì)胞分泌的外泌體在心肌梗死發(fā)病機(jī)制中的作用，外泌體在細(xì)胞移植治療心肌梗死中的作用，以及研究展望幾個(gè)方面進(jìn)行綜述。

1 心臟中的外泌體

1.1 外泌體的來源和特性

外泌體是由絕大多數(shù)細(xì)胞的內(nèi)涵體形成胞芽和多囊泡小體與細(xì)胞膜融合后并釋放到細(xì)胞外所形成的直徑在30～100 nm 的微膜囊泡［1］。在血液、尿液、膽汁、唾液等生物體液中都可發(fā)現(xiàn)外泌體的存在［2］。外泌體中含有細(xì)胞特異性的蛋白質(zhì)、mRNA 和微小核糖核酸(miRNA，miR)，并可以將這些物質(zhì)傳遞作用到鄰近或遠(yuǎn)距離的靶細(xì)胞，從而起到了細(xì)胞間的聯(lián)絡(luò)作用。

外泌體中含有的蛋白質(zhì)主要有肌動(dòng)蛋白、微管蛋白、膜連蛋白、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)蛋白、熱休克蛋白(Hsp)。這些蛋白中有可以作為外泌體標(biāo)志的蛋白，例如4 次跨膜蛋白超家族(CD9、CD10、CD53、CD63、CD81)［3］，參與多囊泡小體形成的蛋白(AliX 和TSG101)，以及細(xì)胞Hsp70 和Hsp90［4］。不同細(xì)胞來源的外泌體含有與其來源細(xì)胞相關(guān)的蛋白質(zhì)，例如腸上皮細(xì)胞分泌的外泌體中含有代謝酶，免疫細(xì)胞分泌的外泌體含有與抗原結(jié)合和提呈相關(guān)的蛋白質(zhì)，例如主要組織相容性復(fù)合物Ⅰ類及Ⅱ類分子［5］，成年心肌細(xì)胞分泌的外泌體中含有肌節(jié)蛋白、線粒體蛋白、腫瘤壞死因子-α 和Hsp20等［6-7］。外泌體中的蛋白組成還有賴于細(xì)胞所處的功能狀態(tài)，當(dāng)靜息狀態(tài)的細(xì)胞受到應(yīng)激、刺激等時(shí)，其所分泌的外泌體中的蛋白質(zhì)也會(huì)不同。因而外泌體的蛋白組成不僅反映了它的細(xì)胞來源，也反映了來源細(xì)胞所處的狀態(tài)，可以作為某些疾病的診斷標(biāo)志。

外泌體有獨(dú)特的生物學(xué)特性，這些特性可概括為:(1)特異性:外泌體因細(xì)胞來源不同而具有不同的蛋白質(zhì)組成和miRNA 等。(2)異質(zhì)性:外泌體的體積、密度等物理特性使它們?nèi)菀讖募?xì)胞殘片和小囊泡中被分離出來單獨(dú)研究。(3)穩(wěn)定性:外泌體的脂膜使它能夠保存在冷凍條件下，并且在低滲情況下也不會(huì)被破膜，從而能夠高效率的傳遞信息到其他細(xì)胞。(4)靶向性:外泌體有特殊的信號(hào)通道，例如，外泌體有特定的受體可以靶向到特定的細(xì)胞。(5)運(yùn)輸性:外泌體可以作為靶向藥物的載體，并且很容易將其分離出來改變其中的RNA 和蛋白成分等。外泌體的這些生物特性為外泌體的體外研究、臨床應(yīng)用提供了可能。

1.2 心臟分泌外泌體的依據(jù)

體內(nèi)和體外實(shí)驗(yàn)已證實(shí)正常的心肌組織會(huì)釋放外泌體。瑞典分子心臟學(xué)實(shí)驗(yàn)室的Barile 等［8］第一次通過電鏡在超微結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)了心肌祖細(xì)胞中外泌體的存在。成年心肌細(xì)胞通常不是分泌型細(xì)胞，但是Gupta 和Knowlton 發(fā)現(xiàn)了成年心肌細(xì)胞也可以通過外泌體釋放細(xì)胞基質(zhì)蛋白［9］。Waldenstr?m 等［10］在心肌細(xì)胞系HL-1 中還發(fā)現(xiàn)了含有核酸的外泌體，這些外泌體作用于成纖維細(xì)胞后，釋放的核酸可以改變成纖維細(xì)胞的基因表達(dá)。

2 外泌體在心肌梗死發(fā)病機(jī)制中的保護(hù)作用

外泌體可以介導(dǎo)近距離的信息傳遞，例如心臟中的不同細(xì)胞之間，也可以通過血液運(yùn)輸?shù)竭h(yuǎn)距離的細(xì)胞進(jìn)行信息傳遞，例如心肌損害后誘導(dǎo)骨髓干細(xì)胞的遷移等［11］。

心肌梗死后，外周血中的miRNA 含量大量增加，其中有些miRNA 包含在心臟釋放的外泌體中。例如，Kuwabara 等［12］發(fā)現(xiàn)肌性特異性miR-133a 和miR-1 在心肌梗死患者的血清中顯著增多，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)這些miRNA 的來源是心肌梗死區(qū)和心肌梗死周邊區(qū)，并且在培養(yǎng)的H9C2 心肌細(xì)胞分泌的外泌體中發(fā)現(xiàn)了這些miRNA。Cheng 等還在急性心肌梗死患者的尿液和急性心肌梗死大鼠模型的血液中發(fā)現(xiàn)了包含有miR-1、miR-208 的外泌體［13］。這證明心臟分泌的外泌體既可以在心臟內(nèi)調(diào)節(jié)心肌修復(fù)，也可以遠(yuǎn)距離的傳遞生物信息，具體的作用取決于外泌體所包含的蛋白質(zhì)和遺傳物質(zhì)。例如，當(dāng)外泌體中含有miR-126、miR-130 這些遺傳物質(zhì)時(shí)，可以起到促進(jìn)血管新生的作用［14-15］。含有miR-1 的外泌體既可以促進(jìn)血管新生，也可以誘導(dǎo)心肌祖細(xì)胞的遷移［16］。

心肌損害后會(huì)誘導(dǎo)心肌祖細(xì)胞和骨髓干細(xì)胞的遷移來補(bǔ)充損失的心肌細(xì)胞，進(jìn)行心肌修復(fù)。實(shí)驗(yàn)證明外泌體參與了骨髓干細(xì)胞的遷移過程。例如，將心肌梗死后的心肌進(jìn)行勻漿，這些組織勻漿中含有基質(zhì)衍生因子-1(stromal-derived factor-1)、肝細(xì)胞生長因子(hepatocyte growth factor)、白血病抑制因子(leukemia inhibitory factor)等，培養(yǎng)的骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞會(huì)明顯的向這些心肌勻漿遷移［17］。有實(shí)驗(yàn)還表明急性心肌梗死后miR-150 在骨髓單核細(xì)胞的表達(dá)量下降，引起蛋白CXCR4 的表達(dá)量升高，從而增加了CXCR4 誘導(dǎo)骨髓干細(xì)胞遷移歸巢到受損心肌處的作用。這提示心肌梗死后可以通過調(diào)控包含miR-150 的外泌體含量來增加這一遷移作用，從而改善心肌的修復(fù)［18］。

3 外泌體與細(xì)胞移植治療心肌梗死

3.1 細(xì)胞移植治療心肌梗死

如何將心肌梗死限制在急性修復(fù)階段，替代損傷的心肌，促進(jìn)新血管的生成，成為心肌梗死治療的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的心肌梗死治療方法，例如介入治療、冠狀動(dòng)脈旁路搭橋術(shù)都是通過血管再通的方法使病情得到改善，并不能解決心肌損失的問題。細(xì)胞療法將骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞、心肌祖細(xì)胞、CD34+細(xì)胞群等具有一定分化能力的細(xì)胞通過冠狀動(dòng)脈注射、心肌穿刺等方法注入到心肌中，這些細(xì)胞就可以替代損傷的心肌，甚至分化成為具有收縮功能的心肌細(xì)胞，已有臨床實(shí)驗(yàn)證明了細(xì)胞療法確實(shí)起到了減少梗死面積，促進(jìn)血管新生，改善心臟功能的作用［19-20］。

心肌梗死時(shí)一般會(huì)丟失2×109個(gè)心肌細(xì)胞，然而細(xì)胞移植后保存在心臟中的細(xì)胞通常只有1×106個(gè)［21］。盡管細(xì)胞移植留在心臟中的細(xì)胞很少，在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中細(xì)胞移植卻可以減少29%的梗死面積，提高10%的射血分?jǐn)?shù)，這說明注入的細(xì)胞除了替代受損心肌外，還通過其它方式起到了治療作用［19］。Nguyen等［22］用骨髓間充質(zhì)細(xì)胞分泌的富集后的具有生物活性的因子注射到梗死心臟，發(fā)現(xiàn)心肌細(xì)胞凋亡減少，氧化應(yīng)激下降，心臟功能得到了改善。這證明移植細(xì)胞分泌的細(xì)胞因子、外泌體等也起到了改善心臟功能的作用。

3.2 外泌體在細(xì)胞移植治療心肌梗死中的作用

移植到心臟的細(xì)胞所分泌的外泌體可以通過誘導(dǎo)細(xì)胞遷移到梗死區(qū)，促進(jìn)血管生成，抑制過度炎癥反應(yīng)來促進(jìn)心肌修復(fù)。在體外傷痕愈合實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，心肌祖細(xì)胞釋放的外泌體可以引起血管內(nèi)皮細(xì)胞的遷移［23］。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)外泌體含有大量細(xì)胞外基質(zhì)金屬蛋白酶誘導(dǎo)因子(extracellular matrix metalloproteinase inducer，EMMPRIN)，EMMPRIN 可以誘導(dǎo)相鄰的細(xì)胞釋放基質(zhì)金屬蛋白酶(matrix metalloproteinases，MMP)［24］。同時(shí)發(fā)現(xiàn)外泌體本身中也含有MMP-9。大量的細(xì)胞外MMP 通過降解周圍的細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)，從而誘導(dǎo)細(xì)胞的遷移。在該實(shí)驗(yàn)中加入EMMPRIN 的抑制劑，外泌體的遷移作用明顯被阻止［25］。

移植的干細(xì)胞還可以通過外泌體將miRNAs 釋放到周圍環(huán)境中。促進(jìn)血管生成與細(xì)胞釋放的含有miR-1、miR-126 的外泌體有關(guān)，miR-1 和miR-126 可以降低Spred1 蛋白的表達(dá)量。Spred1 蛋白是Sprouty 相關(guān)蛋白家族，在一些生長因子作用下發(fā)生酪氨酸磷酸化，通過影響絲裂原活化蛋白激酶通路而抑制血管再生。外泌體分泌的miR-1、miR-126 通過直接限制血管新生的負(fù)調(diào)節(jié)因子Spred1 的表達(dá)，起到了促進(jìn)血管新生的作用［26］。外泌體釋放的EMMPRIN 還可以誘導(dǎo)相鄰的細(xì)胞釋放血管內(nèi)皮生長因子，也起到促進(jìn)血管新生的作用［27］。

T 淋巴細(xì)胞從心肌缺血到心肌修復(fù)一直處在激活狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)證明移植細(xì)胞的外泌體存在的情況下，可以降低T 淋巴細(xì)胞受到白介素-2 和佛波酯刺激時(shí)的增生作用，從而減少了過度的免疫反應(yīng)［28］。移植細(xì)胞外泌體對心肌梗死后短期炎癥反應(yīng)的作用，還有待進(jìn)一步研究。

4 心肌梗死后的外泌體研究方向和前景

盡管在腫瘤、肝臟疾病中外泌體已有很多的研究，并且也取得了一定成果，但有關(guān)外泌體和心肌梗死的研究現(xiàn)在還寥寥無幾。綜上所述，外泌體在心肌梗死后的心肌修復(fù)中起到有效的保護(hù)作用，具有進(jìn)一步研究的前景，因此就外泌體在心肌梗死后的信息傳遞及臨床應(yīng)用方面的深入和進(jìn)一步的可能研究方向概括如下:(1)外泌體介導(dǎo)心臟中各種細(xì)胞間的信息傳遞。(2)心臟分泌的外泌體通過血液運(yùn)輸作用到遠(yuǎn)距離的骨髓干細(xì)胞，引導(dǎo)干細(xì)胞向心肌受損處轉(zhuǎn)移，替代受損心肌。(3)干細(xì)胞分泌的外泌體通過血液作用到受損心肌，參與心肌修復(fù)。(4)外泌體在干細(xì)胞治療中，參與了干細(xì)胞的旁分泌，起到了治療作用。(5)外泌體作為治療靶點(diǎn)，誘導(dǎo)干細(xì)胞向受損心肌處轉(zhuǎn)運(yùn)，補(bǔ)充受損心肌。(6)外泌體作為預(yù)測心肌梗死的生物標(biāo)志物。(7)外泌體作為藥物載體治療心肌梗死。

通過就外泌體在心肌梗死中作用的綜述，相信會(huì)為相關(guān)研究者提供一個(gè)總體概況。通過深入研究外泌體在心肌梗死后的作用機(jī)制和具體應(yīng)用，將有助于全面了解心肌梗死后的心肌修復(fù)機(jī)制?？赏ㄟ^分離外泌體或人工合成類外泌體，為臨床的心肌梗死治療提供新的方法和前景。

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