瞿笑豐,陳麗欣,蕭文澤
·綜述·
外泌體在缺血性腦卒中的研究進(jìn)展
瞿笑豐a,陳麗欣b,蕭文澤c
外泌體是一種新近發(fā)現(xiàn)的細(xì)胞外小分子囊泡,其參與調(diào)節(jié)缺血性卒中后神經(jīng)細(xì)胞重塑以及血管新生。本文總結(jié)了外泌體在缺血性卒中修復(fù)過程中的研究進(jìn)展,并探討缺血性卒中治療中干細(xì)胞來源外泌體的潛在應(yīng)用價(jià)值。
外泌體;缺血性卒中;血管新生;神經(jīng)細(xì)胞可塑性;造血干細(xì)胞治療
外泌體(exosomes)存在于體液如血液和腦脊液中[1],是內(nèi)體衍生的小膜泡,直徑約 30~100 nm,由細(xì)胞釋放到細(xì)胞外液[1]。其內(nèi)攜帶有蛋白質(zhì)、脂類和遺傳物質(zhì),在源細(xì)胞和受體細(xì)胞間起著關(guān)鍵的細(xì)胞間通訊作用[1]。數(shù)據(jù)表明,外泌體也參與調(diào)節(jié)卒中后神經(jīng)血管單元組件細(xì)胞間的通訊。筆者總結(jié)了外泌體在卒中后修復(fù)中的研究進(jìn)展,并探討腦卒中治療中外泌體的潛在應(yīng)用價(jià)值。
在局灶性腦缺血小鼠模型中下調(diào)腦血管內(nèi)皮細(xì)胞 miRNA-15a,可以促進(jìn)缺血周邊區(qū)的血管新生[3]。血管內(nèi)皮細(xì)胞釋放的血管內(nèi)皮生長因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)可與神經(jīng)祖細(xì)胞的血 管 內(nèi) 皮 生 長 因 子 受 體 2(vascular endothelial growth factor receptor,VEGFR-2)結(jié)合,促進(jìn)其增殖和分化。此外,腦白質(zhì)內(nèi)皮細(xì)胞通過腦源性神經(jīng)營養(yǎng) 因 子(brain derived neurophic factor,BDNF)和 腦源性成纖維細(xì)胞生長因子 2(fibroblast growth factor 2,F(xiàn)GF2)參與髓鞘少突膠質(zhì)細(xì)胞的再生[2]。卒中誘發(fā)的有限的神經(jīng)芽生和缺血周邊區(qū)軸突的髓鞘再生也受到 miRNA 的調(diào)控[4]。而反應(yīng)性增生的星形膠質(zhì)細(xì)胞產(chǎn)生的硫酸軟骨素蛋白多糖(chondroitin sulfate proteoglycan,CSPG)則抑制軸突再生[5]。皮質(zhì)神經(jīng)元過表達(dá) miR-17-92 基因簇或 miR-27a,可激活神經(jīng)元的內(nèi)在生長信號通路,這主要通過抑制磷酸酶和張力蛋白同源物(phosphatase and tension homolog,PTEN)和 Ras同源家族成員(RhoA)信號,從而克服 CSPG 的抑制作 用[6]。 因此,miRNA 和 mRNA的介導(dǎo)信號網(wǎng)絡(luò)在卒中腦修復(fù)過程中起到關(guān)鍵性作用[7]。外泌體介導(dǎo)的細(xì)胞間通訊通過將生物分子從源細(xì)胞轉(zhuǎn)移至靶細(xì)胞也參與神經(jīng)功能的修復(fù)。外泌體通常富含 tetraspanin 蛋白(CD63、CD81),核內(nèi)體調(diào)節(jié)器 Alix,和伴侶蛋白 HSP70,其攜帶的成分有脂類、蛋白和 RNA,包括 mRNA 和 miRNA[1]。
循環(huán)內(nèi)皮祖細(xì)胞分泌的外泌體可將其包含物轉(zhuǎn)移到受體內(nèi)皮細(xì)胞,其中包含 PI3K/Akt信號通路相關(guān) miRNA 和促血管生成相關(guān)的 miRNA,如 miR-126 和 miR-296。在大腦,培養(yǎng)的膠質(zhì)瘤細(xì)胞分泌的外泌體提供促血管生成的蛋白質(zhì)、mRNA和miRNA給腦血管內(nèi)皮細(xì)胞,誘導(dǎo)新生血管生成。此外,人腦微血管內(nèi)皮細(xì)胞也分泌外泌體[8]。小鼠腦內(nèi)皮細(xì)胞分泌的外泌體在脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)刺激和細(xì)胞因子刺激下轉(zhuǎn)移miRNA、mRNA和受體至小鼠腦血管周細(xì)胞,提高了VEGF-B及其受體VEGFR-1 蛋 白 水 平[9],介 導(dǎo) 血 管 生 成 。 Delta-like 4(DLL4),一種腦內(nèi)皮細(xì)胞表達(dá)的膜結(jié)合 Notch 配體,通過與周細(xì)胞的 Notch3 受體結(jié)合,保持腦血管結(jié)構(gòu)穩(wěn)定[10]。人類微血管內(nèi)皮細(xì)胞和人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞釋放的外泌體含有DLL4蛋白,參與調(diào)節(jié)血管生成[11]。
蛋白質(zhì)組學(xué)和基因芯片分析顯示,與非缺血組相比,缺血性卒中從本質(zhì)上改變了外泌體所裝載的miRNA 與蛋白成分[12]。 缺血性神經(jīng)祖細(xì)胞來源的外泌體促進(jìn)初級內(nèi)皮細(xì)胞遷移和毛細(xì)血管的形成,而缺血性腦血管內(nèi)皮細(xì)胞外泌體促進(jìn)了神經(jīng)祖細(xì)胞的增殖和分化[12]。這表明,腦血管內(nèi)皮細(xì)胞和神經(jīng)祖細(xì)胞的外泌體共同參與了卒中后大腦修復(fù)過程中的神經(jīng)和血管生成過程。
成年老鼠大腦神經(jīng)干細(xì)胞存在于腦室/腦室旁區(qū)(ventricular/subventricular,V/SVZ),此 區(qū) 域 毗 鄰血管和腦脊液,不斷地交換分子信號[13]。腦脊液和神經(jīng)干細(xì)胞釋放的外泌體各自通過調(diào)節(jié)細(xì)胞間信號途徑,介導(dǎo)的神經(jīng)干細(xì)胞的功能和免疫功能[14]。腦脊液來源外泌體激活胚胎神經(jīng)干細(xì)胞 IGF/mTORC1通路,促進(jìn)干神經(jīng)細(xì)胞的增殖[14]。將成年老鼠的胚胎神經(jīng)干細(xì)胞暴露在促炎性因子環(huán)境中,促使其釋放干擾素信號通路γ相關(guān)成分。這些外泌體通過所裝載的干擾素 γ及其受體 IFNGR1 激活靶細(xì)胞內(nèi)STAT1 信號通路[15]。卒中可以激活先天免疫和適應(yīng)性免疫反應(yīng),因此,神經(jīng)干細(xì)胞釋放的外泌體也可能參與了卒中后免疫系統(tǒng)細(xì)胞相互作用。
神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞相互作用來協(xié)調(diào)軸突生長和髓鞘形成,這兩者釋放的外泌體也參與這些過程[16]。神經(jīng)元釋放的外泌體含有α-氨基羥甲基惡唑丙酸(AMPA)受體,而去極化神經(jīng)元其突起釋放的外泌體富含微管相關(guān)蛋白 1B(MAP1B)和 miRNA 靶 基 因 ,這 些 成 分 均 參 與 了 神 經(jīng) 可 塑 性[17]。 維 甲 酸 受 體RARβ2激動(dòng)劑通過釋放富含PTEN蛋白的外泌體抑制皮質(zhì)神經(jīng)元PTEN信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。同時(shí),這些PTEN蛋白的外泌體與PTEN星形膠質(zhì)細(xì)胞結(jié)合,抑制星形膠質(zhì)細(xì)胞增殖[18]。此外,皮質(zhì)神經(jīng)元外泌體轉(zhuǎn)移 miR-124 至星形膠質(zhì)細(xì)胞,促使星形膠質(zhì)細(xì)胞上調(diào)興奮性氨基酸谷氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)體-1(glutamate transporter-1,GLT-1)表達(dá),調(diào)節(jié)星形膠質(zhì)細(xì)胞的功能[19]。AMPA 受體和 MAP1B 是突觸可塑性和軸突出芽的關(guān)鍵調(diào)節(jié)受體[17]。而在嚙齒動(dòng)物,星形膠質(zhì)細(xì)胞GLT-1主要負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)細(xì)胞外谷氨酸水平和調(diào)節(jié)突觸活化[19]。AMPA 受體的激活有助于腦卒中后運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)[20]。總之,外泌體介導(dǎo)了神經(jīng)元和星形膠質(zhì)細(xì)胞之間突觸傳遞和生物分子的交流[17],參與調(diào)節(jié)了神經(jīng)元突觸和軸突可塑性。
高濃度氯化鉀導(dǎo)致新生小鼠星形膠質(zhì)細(xì)胞釋放外泌體,他們富含突觸囊泡相關(guān)蛋白 synapsin,促進(jìn)軸突生長和神經(jīng)元的存活[21],不同濃度的氯化鉀均可誘導(dǎo)缺血腦組織的星形膠質(zhì)細(xì)胞分泌的外泌體[21]。
體外培養(yǎng)的少突膠質(zhì)細(xì)胞同樣分泌外泌體,其外泌體的分泌受到細(xì)胞內(nèi)鈣水平調(diào)節(jié)。興奮性神經(jīng)元來源的谷氨酸刺激少突膠質(zhì)細(xì)胞釋放攜帶 MBP、PLP 和 sirtuin-2 的外泌體[22],這些蛋白通過激活靶細(xì)胞 Rho/ROCK/myosin 受體的信號蛋白抑制髓鞘 形 成[23]。 透 射 電 鏡 分 析 表明 ,在 軸 突 周 圍 存 在 PLP+ 多 泡體[24],表明外泌體有助于協(xié)調(diào)神經(jīng)元介導(dǎo)的髓鞘形成[24]。少突膠質(zhì)細(xì)胞來源的外泌體可以被神經(jīng)元內(nèi)化,從而提高神經(jīng)元在細(xì)胞應(yīng)激環(huán)境下的生存能力[22]。在腦缺血體外試驗(yàn)中,對大鼠皮質(zhì)神經(jīng)元進(jìn)行氧/葡萄糖剝奪,少突膠質(zhì)細(xì)胞來源的外泌體通過激活的超氧化物歧化酶,過氧化氫酶和其他抗氧化酶,減少缺血性神經(jīng)元死亡[25]。
原代培養(yǎng)的小膠質(zhì)細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞細(xì)胞系釋放的外泌體均含有氨肽酶 CD13 和乳酸轉(zhuǎn)運(yùn)單羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白 1(monocarboxylate transporter 1,MCT-1)。 小 膠 質(zhì) 細(xì) 胞 外 泌 體 可 以 轉(zhuǎn) 移CD13至神經(jīng)元,引起神經(jīng)肽降解。小膠質(zhì)細(xì)胞還可接收其他腦細(xì)胞分泌的外泌體。少突細(xì)胞祖細(xì)胞(oligodendrocyte progenitor cells,OPCs)來源的外泌體優(yōu)先被小膠質(zhì)細(xì)胞通過大吞飲作用機(jī)制內(nèi)化[26]。與初始小膠質(zhì)細(xì)胞不同,被干擾素-γ(interferonγ,IFN-γ)刺激的小膠質(zhì)細(xì)胞大幅減少對 OPCs來源的外泌體的吸收[26]。
包括骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(mesenchymal stem cell,MSCs)在內(nèi)的細(xì)胞療法已被證明可改善卒中和腦外傷后神經(jīng)功能。臨床前研究表明,MSCs促進(jìn)血管生成,神經(jīng)發(fā)生和腦白質(zhì)重塑,通過分泌因子觸發(fā)參與腦修復(fù)的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路。
體外培養(yǎng)的MSCs分泌大量的外泌體,通過調(diào)節(jié)大腦微環(huán)境改善了卒中和腦外傷的治療效果[27]。對局灶性腦缺血大鼠模型,靜脈注射MSCs來源的外泌體后,極大促進(jìn)血管重塑,神經(jīng)功能的改善[27]。MSCs 來源外泌體的全身給藥明顯降低缺血小鼠運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)障礙,增強(qiáng)血管和神經(jīng)再生,而人類MSCs來源外泌體治療腦創(chuàng)傷(traumatic brain injury,TBI)小鼠基本上保存其空間識別能力[28]。這些提示 MSCs介導(dǎo)的細(xì)胞間通訊的來源可能決定了MSCs的療效。
外泌體把其裝載的miRNA轉(zhuǎn)移給受體細(xì)胞。MSCs來源的外泌體含有超過 700 種 miRNA,他們與 Argonaute2(Ago2)結(jié)合,形成miRNA 誘導(dǎo)的沉默復(fù)合體。MSCs來源外泌體所裝載的特定miRNA水平對腦卒中后神經(jīng)重塑的影響,已有體外和體內(nèi)研究[27]。用 MSCs治療卒中模型動(dòng)物,可以消除缺血性腦卒中誘導(dǎo)的 miR-133b 的水平下調(diào)[27]。將 MSCs與缺血腦組織提取物混合培養(yǎng),MSCs釋放的 exosomes富含 miR-133b。慢病毒載體轉(zhuǎn)染 MSCs來源的外泌體可上調(diào)或下調(diào)外泌體中miR-133b水平。結(jié)締組織生長因子和 RhoA 是被 miR-133b 調(diào)控,并抑制軸突生長[27]。在體外,皮質(zhì)神經(jīng)元細(xì)胞與 miR-133b 上調(diào)的外泌體共培養(yǎng),下調(diào) RhoA 并促進(jìn)軸突生長,星形膠質(zhì)細(xì)胞與 miR-133b上調(diào)的外泌體共培養(yǎng),則抑制結(jié)締組織生長因子(connective tissue growth factor,CTGF)的表達(dá)??傊?,MSCs來源的外泌體可作為載體輸送miRNA至受體神經(jīng)元和星形膠質(zhì)細(xì)胞,從而調(diào)節(jié)其基因的表達(dá)。
卒中可抑制外周血免疫細(xì)胞的功能,導(dǎo)致卒中結(jié)局的惡化。除了與腦細(xì)胞之間的相互作用,MSCs來源的外泌體也可與卒中后小鼠外周血自然殺傷細(xì)胞和淋巴細(xì)胞進(jìn)行相互作用,減輕缺血后免疫抑制[28]。
來自心肌缺血的研究表明,CD34+HSC來源的外泌體,經(jīng)人工修飾富含音猬因子(sonic hedgehog,SHH),可轉(zhuǎn)移功能化SHH至受體細(xì)胞并激活SHH信號通路,促進(jìn)梗死邊緣區(qū)血管生成和保護(hù)心臟功能[29]。這些實(shí)驗(yàn)表明,HSCs來源的外泌體,通過提供功能蛋白調(diào)節(jié)受體細(xì)胞的功能,很可能可促進(jìn)腦卒中后的重塑。外泌體可穿越血腦屏障[30]。奧德賽 800 染料標(biāo)記膠質(zhì)母細(xì)胞瘤細(xì)胞分泌的外泌體并鼻腔給藥,可觀察到熒光顆粒分布于整個(gè)大腦,主要在小鼠嗅球[30]。利用 Cre-loxP 系統(tǒng)注射含Cre 重組酶 mRNA 的外泌體,至攜帶 ROSA26-lacZ 報(bào)告基因的小鼠海馬,在海馬神經(jīng)元觀察到 LacZ 報(bào)告基因激活[22],表明含Cre重組酶的外泌體激活了受體神經(jīng)元的報(bào)告基因。
越來越多的數(shù)據(jù)表明,外泌體是卒中后神經(jīng)修復(fù)和神經(jīng)損傷活動(dòng)中重要的細(xì)胞間介質(zhì),有利于患者功能的恢復(fù)[31]。但仍然存在許多問題和挑戰(zhàn):如需要明確卒中后腦組織及遠(yuǎn)處器官以何種途徑來影響腦實(shí)質(zhì)細(xì)胞外泌體的表達(dá)?外泌體裝載的內(nèi)容物通過何種途徑來調(diào)節(jié)受體腦細(xì)胞的基因表達(dá)?不同腦實(shí)質(zhì)細(xì)胞來源的外泌體其類型應(yīng)如何劃分?以及不同性別、年齡和合并癥對外泌體及其裝載的內(nèi)容物有何影響?今后的研究,通過探討外泌體作為缺血性腦細(xì)胞間的通訊介質(zhì),將有助于對卒中后神經(jīng)功能修復(fù)機(jī)制的理解以及探索出基于外泌體的神經(jīng)系統(tǒng)疾病的新療法。
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(本文編輯:唐穎馨)
R741;R741.02;R743
ADOI10.16780/j.cnki.sjssgncj.2017.03.014
復(fù)旦附屬浦東醫(yī)院/上海市浦東醫(yī)院a.急診內(nèi)科;b.全科醫(yī)學(xué)科;c.內(nèi)分泌科上海 201399
2017-02-10
蕭文澤wenzexiao@yahoo. com
注:瞿笑豐和陳麗欣為并列第一作者