外泌體對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)疾病的作用研究進(jìn)展

鐵 巖 李 瀟 楊鑫偉 許利平

神經(jīng)系統(tǒng)疾病是一類臨床常見疾病，包括中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病，如阿爾茲海默癥(Alzheimer′s disease, AD)，帕金森綜合征(Parkinson′s disease, PD)等，以及周圍神經(jīng)疾病，如糖尿病周圍神經(jīng)病變(diabetic peripheral neuropathy, DPN)等。這類疾病發(fā)病機(jī)制十分復(fù)雜，如AD的發(fā)病與Tau蛋白過度磷酸化、β-樣淀粉蛋白積累、神經(jīng)遞質(zhì)水平降低、炎癥損害神經(jīng)元、晚期糖基化終產(chǎn)物與其受體相互作用密切相關(guān)[1]。PD的發(fā)病機(jī)制涉及多種途徑，包括細(xì)胞凋亡、自噬、氧化應(yīng)激、炎癥、α-突觸核蛋白聚集和神經(jīng)遞質(zhì)變化等[2]。DPN的發(fā)生、發(fā)展主要與高血糖引起施萬細(xì)胞(Schwann cells，SCs)凋亡有關(guān)，病變機(jī)制主要涉及氧化應(yīng)激、炎性反應(yīng)、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激、自噬和硝化等[3]。在治療上臨床多以對(duì)癥治療，但治療后神經(jīng)功能并不能完全恢復(fù)，因此迫切需要尋找更有效且安全的治療方法。外泌體(exosomes, EXOs)是一類各種細(xì)胞均可分泌的具有雙層膜結(jié)構(gòu)的囊泡樣物質(zhì)。近年來，研究者發(fā)現(xiàn)EXOs可以在很多疾病中發(fā)揮作用，引起極大的關(guān)注，如癌癥、2型糖尿病、肥胖癥、類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎和神經(jīng)退行性疾病等[4]。本文通過綜述近年來EXOs對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)疾病的研究現(xiàn)狀，為進(jìn)一步深入研究其作用機(jī)制尋求更好的治療方法提供參考。

一、EXOs

EXOs是一類具有雙層膜結(jié)構(gòu)的細(xì)胞外囊泡，直徑為30～100nm。EXOs來源于細(xì)胞分泌，如神經(jīng)干細(xì)胞，神經(jīng)元，星形膠質(zhì)細(xì)胞，SCs等，可以通過不同體液如血液、尿液、腦脊液等檢測(cè)到EXOs。根據(jù)多組學(xué)研究，EXOs包含不同類型的生物分子，包括蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和核酸。EXOs蛋白質(zhì)包括取決于分泌細(xì)胞類型的蛋白質(zhì)和與分泌細(xì)胞類型無關(guān)的特定蛋白質(zhì)兩種；核酸主要包括各種RNA，如微小RNA(miRNA)、環(huán)狀RNA等，目前人們對(duì)miRNA研究較多，尤其癌癥方面，可以作為治療靶標(biāo)[4]。

EXOs參與體內(nèi)各種生物過程，其內(nèi)含物可以反映機(jī)體的生理或病理狀況。因此不同來源的EXOs作為神經(jīng)系統(tǒng)疾病的標(biāo)志物已達(dá)成共識(shí)，如星形膠質(zhì)細(xì)胞來源EXOs因子水平也可隨中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病發(fā)展特異性增高或降低，可作為診治鑒別疾病的重要工具及預(yù)測(cè)疾病發(fā)展變化的生物學(xué)標(biāo)志物[5]。有文獻(xiàn)表明，EXOs可以起到神經(jīng)保護(hù)作用，如靜脈注射骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞可以作用于受損的神經(jīng)元和星形膠質(zhì)細(xì)胞，明顯改善糖尿病引起的認(rèn)知障礙[6]。EXOs的內(nèi)含物也可以直接參與神經(jīng)系統(tǒng)活動(dòng)，如EXOs miRNA在體內(nèi)有不同的靶標(biāo)，可以影響SCs增殖、遷移以及髓鞘形成，進(jìn)而調(diào)節(jié)神經(jīng)的生長發(fā)育[7]。EXOs還可以介導(dǎo)神經(jīng)系統(tǒng)中細(xì)胞間通訊，如在神經(jīng)突觸通訊時(shí)，添加GABAA受體拮抗劑可以使突觸前細(xì)胞釋放EXOs，并調(diào)節(jié)突觸強(qiáng)度和逆行信號(hào)[8]。EXOs可以與靶細(xì)胞相互作用，參與中樞神經(jīng)細(xì)胞之間、SCs與軸突之間的信號(hào)交流[9]。

這些證據(jù)表明，EXOs中富含多種因子，參與神經(jīng)系統(tǒng)正常運(yùn)行，并且在神經(jīng)系統(tǒng)的再生和重塑中起到重要作用，有助于研究者進(jìn)一步探究神經(jīng)系統(tǒng)疾病的發(fā)生機(jī)制，尋找新的治療方法。

二、EXOs與神經(jīng)病變

1.EXOs與中樞神經(jīng)病變：中樞神經(jīng)病變的診斷多依靠癥狀表現(xiàn)和影像手段，有時(shí)并不準(zhǔn)確并貽誤治療時(shí)間，因其病變位置的特殊性，一般治療藥物無法到達(dá)血-腦脊液屏障。EXOs與傳統(tǒng)神經(jīng)細(xì)胞釋放的囊泡不同，可以攜帶多種活性物質(zhì)，直接參與細(xì)胞間信息交流和物質(zhì)交流，促進(jìn)神經(jīng)祖細(xì)胞的增殖和分化，以及促進(jìn)神經(jīng)回路的發(fā)育，在維持神經(jīng)元穩(wěn)態(tài)和神經(jīng)保護(hù)方面發(fā)揮重要作用，是神經(jīng)元健康的調(diào)節(jié)劑。同時(shí)，EXOs攜帶了與AD、PD等疾病相關(guān)的錯(cuò)誤折疊形式的蛋白質(zhì)，可能參與了神經(jīng)退行性疾病的致病過程[10]。此外，由于EXOs內(nèi)含物隨機(jī)體的生理病理狀態(tài)改變以及EXOs結(jié)構(gòu)的特殊性，在診斷和治療中樞神經(jīng)病方面，展現(xiàn)了光明的前景。以下以AD和PD為例，說明EXOs對(duì)中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病的作用。

EXOs對(duì)AD的作用：AD是一種記憶和認(rèn)知功能進(jìn)行性喪失且不可逆的神經(jīng)系統(tǒng)疾病，其主要病理特征包括淀粉樣β肽1-42蛋白聚集和磷酸化tau蛋白誘導(dǎo)神經(jīng)細(xì)胞凋亡。文獻(xiàn)表明，EXOs因其可在神經(jīng)細(xì)胞之間進(jìn)行信息交流而可能攜帶毒蛋白參與了AD的發(fā)生。因此，檢測(cè)EXOs中特定的毒蛋白可以作為診斷AD的一種新方法，如AD患者腦脊液和血漿EXOs中全長tau蛋白遠(yuǎn)高于正常人[11]。此外，AD患者血漿EXOs中miRNA-223、miRNA-212、miRNA-132等表達(dá)水平與健康志愿者組比較發(fā)生了顯著變化，因此，EXOs來源miRNA可以作為AD早期診斷的標(biāo)志物[12]。EXOs對(duì)AD有潛在的治療作用，如間充質(zhì)干細(xì)胞(mesenchymal stem cell, MSC)來源EXOs可以通過調(diào)節(jié)免疫、抗炎，促進(jìn)β-淀粉樣蛋白降解，保護(hù)神經(jīng)元并促進(jìn)神經(jīng)元軸突生長，有助于治療AD[13]。EXOs也被用于充當(dāng)遞送藥物的載體治療AD，載有槲皮素的血漿EXOs可以通過抑制磷酸化的tau介導(dǎo)的神經(jīng)元纖維纏繞而改善AD小鼠認(rèn)知功能，表現(xiàn)出治療AD的潛力[14]。

EXOs對(duì)PD的作用：PD是一種進(jìn)行性運(yùn)動(dòng)障礙，是僅次于AD的第二大常見的神經(jīng)退行性疾病，發(fā)病機(jī)制復(fù)雜。有文獻(xiàn)表明，路易體的存在、氧化應(yīng)激、細(xì)胞凋亡等多種機(jī)制以及分子途徑共同作用誘導(dǎo)多巴胺能神經(jīng)元變性，最終導(dǎo)致PD的發(fā)生[2]。EXOs可以作為PD的生物學(xué)標(biāo)志物，有文獻(xiàn)分析了PD患者血漿EXOs中差異表達(dá)的miRNAs，發(fā)現(xiàn)PD患者血漿EXOs中miR-19b、miR-24和miR-195等水平比健康志愿者組變化表達(dá)明顯，可以作為PD診斷潛在的生物學(xué)標(biāo)志物[12]。EXOs對(duì)PD有一定的緩解作用。有研究發(fā)現(xiàn)，MSC來源EXOs可以攜帶有益的miRNA，并與神經(jīng)元細(xì)胞相互作用，可以減少PD動(dòng)物模型中的神經(jīng)炎癥并促進(jìn)神經(jīng)發(fā)生[15]。EXOs可被用作藥物的運(yùn)輸工具，將攜帶特定外源性干擾RNA的EXOs遞送至PD小鼠中，可以降低多巴胺神經(jīng)元的死亡，改善臨床癥狀[16]。

2.EXOs與周圍神經(jīng)病變：周圍神經(jīng)病(peripheral neuropathy，PN)是一類復(fù)雜而普遍的神經(jīng)系統(tǒng)疾病，周圍神經(jīng)由神經(jīng)纖維、支持組織和營養(yǎng)血管組成，神經(jīng)纖維分為有髓鞘和無髓鞘纖維，髓鞘主要由髓磷脂和施萬細(xì)胞(Schwann cells，SCs)構(gòu)成。PN的病理機(jī)制復(fù)雜，如機(jī)體長期處于高糖狀態(tài)，引起周圍神經(jīng)損傷，軸突變性消失，神經(jīng)干遭到破壞，受損神經(jīng)局部微環(huán)境改變，導(dǎo)致糖尿病周圍神經(jīng)病變(diabetic peripheral neuropathy, DPN)。研究證實(shí)，EXOs可直接作用于SCs，并有利于神經(jīng)再生，下面以DPN為例，說明EXOs對(duì)周圍神經(jīng)病變的作用。

EXOs對(duì)SCs的作用：SCs是周圍神經(jīng)主要的神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞，負(fù)責(zé)周圍神經(jīng)髓鞘的形成。SCs可以分泌多種神經(jīng)營養(yǎng)因子，如腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子，神經(jīng)生長因子等，促進(jìn)軸突的生長，并為神經(jīng)元的存活提供適宜的微環(huán)境[3]。DPN主要病理改變是SCs損傷，神經(jīng)纖維脫髓鞘。周圍神經(jīng)損傷(peripheral neuropathy injury, PNI)后，發(fā)生瓦勒變性，這個(gè)反應(yīng)是PNI后神經(jīng)再生的必要準(zhǔn)備階段，SCs在瓦勒變性中發(fā)生增殖并吞噬分解軸突和髓磷脂，還發(fā)生遷移以指導(dǎo)新生軸突的再生方向，因此，SCs可以作為DPN的靶標(biāo)[17]。

EXOs可以作用于SCs從而改善DPN，促進(jìn)神經(jīng)再生。人類脂肪干細(xì)胞(adipose-derived stem cells， ADSCs)來源EXOs可以體外上調(diào)相關(guān)基因，促進(jìn)SCs增殖、遷移，髓鞘化和神經(jīng)營養(yǎng)因子的分泌，體內(nèi)實(shí)驗(yàn)經(jīng)過ADSC-EXOs治療，大鼠坐骨神經(jīng)軸突再生、髓鞘化顯著恢復(fù)，同時(shí)ADSCs來源EXOs可以通過改變凋亡相關(guān)基因的表達(dá)來減少細(xì)胞凋亡，促進(jìn)SCs增殖，從而促進(jìn)周圍神經(jīng)再生[18，19]。牙齦間充質(zhì)干細(xì)胞(gingival mesenchymal stem cells， GMSCs)EXOs可以顯著促進(jìn)SCs增殖和背根神經(jīng)元軸突的生長，體內(nèi)研究表明，GMSCs來源EXOs與可生物降解的殼多糖導(dǎo)管結(jié)合可以顯著增加神經(jīng)纖維數(shù)量和直徑，并促進(jìn)髓磷脂形成[20]。SCs自身分泌的EXOs也有助于神經(jīng)修復(fù)。實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，靜脈注射健康SCs衍生的EXOs至2型糖尿病小鼠中，可以促進(jìn)小鼠坐骨神經(jīng)髓鞘再生，明顯改善DPN，體外數(shù)據(jù)顯示SCs-EXOs促進(jìn)糖尿病背根神經(jīng)元的神經(jīng)突增生，促進(jìn)SCs的遷移[21]。PNI后修復(fù)型SCs可以分泌高表達(dá)miRNA-21的EXOs，促進(jìn)神經(jīng)突的生長，促進(jìn)軸突再生[22]。

EXOs對(duì)神經(jīng)炎性反應(yīng)和血管再生的作用：PNI后的神經(jīng)再生還涉及到神經(jīng)炎性反應(yīng)和血管再生。在瓦勒變性過程中，除SCs外，巨噬細(xì)胞和其他外周免疫細(xì)胞募集在損傷部位，促進(jìn)髓鞘和軸突碎片的清除。而血管網(wǎng)絡(luò)的重建可以為周圍神經(jīng)修復(fù)過程中的組織再生和生理功能恢復(fù)提供適宜的微環(huán)境[17]。EXOs不僅可以作用于SCs，還可以參與神經(jīng)炎性反應(yīng)、氧化應(yīng)激，并促進(jìn)血管再生，有助于神經(jīng)修復(fù)。

實(shí)驗(yàn)研究表明，將MSC來源EXOs靜注至鏈脲佐菌素誘導(dǎo)的糖尿病小鼠中，可以使小鼠周圍神經(jīng)組織中巨噬細(xì)胞M1表型轉(zhuǎn)化為M2表型，從而降低促炎細(xì)胞因子水平；生物信息學(xué)分析表明，MSC來源EXOs含有的miRNA有助于TLR4/NF-κB信號(hào)通路的下調(diào)，表明MSC來源EXOs可以通過抑制促炎基因減輕DPN[23]。神經(jīng)損傷后，巨噬細(xì)胞來源EXOs可以釋放功能性NADPH氧化酶2復(fù)合物，進(jìn)入到受損的軸突中與活性氧作用，刺激PI3K/AKT通路信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和產(chǎn)物再生，幫助軸突再生以及功能恢復(fù)[24]。MSC來源EXOs可以攜帶與調(diào)控血管生成的miRNA穿梭于各種細(xì)胞之間，并將這些miRNA轉(zhuǎn)移至內(nèi)皮細(xì)胞，起到促進(jìn)血管生成的作用[25]；也有研究發(fā)現(xiàn)，將GMSCs來源EXOs裝載到殼聚糖/絲綢水凝膠海綿中，可以明顯增加糖尿病小鼠的微血管數(shù)量和神經(jīng)纖維密度，增強(qiáng)血管生成和神經(jīng)元生長[26]。ADSCs來源EXOs內(nèi)含物本身含有促進(jìn)神經(jīng)生長的神經(jīng)營養(yǎng)因子，如腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子，神經(jīng)生長因子等，證實(shí)EXOs有成為神經(jīng)再生治療工具的潛力[27]。

三、展 望

EXOs廣泛存在于機(jī)體體液中，不同來源EXOs可以特異性反映不同組織的生理病理狀態(tài)，神經(jīng)系統(tǒng)疾病患者體內(nèi)的EXOs內(nèi)含物的特異性，可以作為疾病的標(biāo)志物，為神經(jīng)系統(tǒng)疾病的早期診斷指標(biāo)提供了機(jī)遇[4]；EXOs由于其穩(wěn)定性、低免疫原性、血-腦脊液屏障通透性和選擇性遞送的特性，可以攜帶藥物并被靶細(xì)胞特異性攝取從而發(fā)揮治療作用。但是EXOs的研究仍面臨許多挑戰(zhàn)，如EXOs中miRNA分選機(jī)制并不明晰，EXOs的分離和純化無確定標(biāo)準(zhǔn)，混合EXOs的技術(shù)尚未成熟，攜帯藥物的EXOs與治療藥物合用時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生不良反應(yīng)，無法保證攜帶藥物的EXOs的穩(wěn)定性以及能夠準(zhǔn)確地被靶細(xì)胞識(shí)別攝取等[9]。但不可否認(rèn)的是，EXOs在神經(jīng)系統(tǒng)疾病的研究中擁有廣闊前景。EXOs在不同組織都可產(chǎn)生，作為細(xì)胞間信息傳遞的媒介，不僅維持著神經(jīng)系統(tǒng)的生理功能，還可以傳遞神經(jīng)系統(tǒng)疾病相關(guān)物質(zhì)作用于靶細(xì)胞，在疾病過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用[10]。EXOs作為信息傳遞和藥物治療研究的工具，為深入研究神經(jīng)系統(tǒng)疾病的作用機(jī)制和診治開拓了新思路。