外泌體與心力衰竭

王玉卿 楊光照

心力衰竭(HF) 是一種全球性疾病，約6400萬(wàn)人深受其害[1]。HF是心血管疾病發(fā)展的終末階段，是由于心臟收縮和(或)舒張功能發(fā)生障礙，使靜脈回心血量排出受損，導(dǎo)致靜脈系統(tǒng)血液淤積，動(dòng)脈系統(tǒng)血液灌注不足，心臟不能提供足夠的心輸出量以維持組織器官的正常功能，從而引起心臟循環(huán)障礙的綜合征。HF的診斷方法特異性、靈敏度均不高，而且現(xiàn)有的治療方法僅能夠緩解并不能減輕潛在的心肌損傷[2]，我們?nèi)匀恍枰^續(xù)深化研究并改進(jìn)HF的診斷及治療方案。

外泌體攜帶多種RNA、脂質(zhì)、蛋白質(zhì)等生物活性物質(zhì)，可作為信息交流與信號(hào)傳導(dǎo)的生物載體，參與炎癥反應(yīng)、心肌纖維化、腎素-血管緊張素醛固酮 (RAS) 系統(tǒng)異常激活等多種HF發(fā)病過程[3]。外泌體所具有的某些生物活性可能在HF的發(fā)生發(fā)展過程中起著至關(guān)重要的作用。所以進(jìn)一步研究外泌體在HF中發(fā)揮的作用，將會(huì)為HF的發(fā)病機(jī)制、診斷及治療提供新的思路。

1 外泌體生物學(xué)特征

外泌體是直徑僅為30～150 nm的細(xì)胞外囊泡，幾乎所有的細(xì)胞均能合成及釋放外泌體，并通過細(xì)胞間復(fù)雜的信息交換和(或)基因表達(dá)調(diào)節(jié)來(lái)影響受體細(xì)胞，從而改變受體細(xì)胞的功能。外泌體中含有多種具有生物活性的蛋白質(zhì)和遺傳物質(zhì)。據(jù)ExoCarta數(shù)據(jù)庫(kù)統(tǒng)計(jì)顯示，外泌體中含有9769種蛋白質(zhì)，3408種信使RNA(mRNA)，2838種微小RNA(miRNA)，1116種脂質(zhì)。其中常見的蛋白質(zhì)包括熱休克蛋白(HSP)、膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)蛋白等； RNA組成包括功能性mRNA和其他非編碼RNA，如miRNAs、長(zhǎng)鏈非編碼RNA(lncRNAs)[4]。

外泌體從細(xì)胞中釋放后，進(jìn)入血液循環(huán)并作用于受體細(xì)胞，將生物活性分子轉(zhuǎn)移到受體細(xì)胞中發(fā)揮作用。其發(fā)揮作用的機(jī)制主要包括以下3種：(1)通過配體和受體的相互作用與靶細(xì)胞結(jié)合；(2)與受體細(xì)胞的質(zhì)膜融合并直接釋放到細(xì)胞質(zhì)中；(3)通過吞噬作用、微胞飲作用、網(wǎng)格蛋白和小泡介導(dǎo)的獨(dú)立內(nèi)吞作用將生物活性分子內(nèi)化到受體細(xì)胞[5]。

2 外泌體在HF中的作用機(jī)理

外泌體已成為心臟不同類型細(xì)胞間重要的通信工具，因?yàn)樗麄兡軌驍y帶來(lái)自供體細(xì)胞的各種生物信息，

包括蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和非編碼RNA，并影響受體細(xì)胞的功能，參與炎癥反應(yīng)、心肌肥厚、心肌纖維化、RAS異常激活、血管生成等多種HF發(fā)病過程。

2.1 參與RAS系統(tǒng)的異常激活 RAS系統(tǒng)的異常激活使局部血管緊張素Ⅱ(AngⅡ)水平升高，從而誘發(fā)病理性心肌肥厚，導(dǎo)致HF，而這一過程與外泌體密切相關(guān)。AngⅡ刺激心臟成纖維細(xì)胞釋放外泌體作為旁分泌介質(zhì)，上調(diào)腎素、血管緊張肽原(Agt)、血管緊張素Ⅰ受體(AT1R)、血管緊張素Ⅱ受體(AT2R)，同時(shí)下調(diào)心肌細(xì)胞中的血管緊張素轉(zhuǎn)化酶2，從而促進(jìn)AngⅡ-T1R軸的自泌激活，導(dǎo)致病理性心肌肥厚，促進(jìn)HF的發(fā)生發(fā)展[6]。

2.2 參與心肌保護(hù)與心肌修復(fù) Khan等[7]的研究表明，由小鼠胚胎干細(xì)胞(ESC)衍生的外泌體以細(xì)胞自主的方式增強(qiáng)心肌梗死(MI)后的心肌修復(fù)力，這說明外泌體有增強(qiáng)心臟內(nèi)源性修復(fù)機(jī)制的潛力。另外，外泌體miR146a可增加心肌細(xì)胞活力并提高抗氧化應(yīng)激能力，從而發(fā)揮心肌細(xì)胞保護(hù)功能。Wang等[8]的研究表明，在體外培養(yǎng)的心肌成纖維細(xì)胞中，miR-425或miR-744可顯著消除血管緊張素誘導(dǎo)的膠原形成和纖維形成，從而修復(fù)受損心肌。

2.3 促進(jìn)血管生成 HF病人心肌中的血管數(shù)量減少，從而使心功能進(jìn)一步惡化，外泌體能通過不同的機(jī)制促進(jìn)HF病人的血管生成，延緩HF進(jìn)展。國(guó)內(nèi)外多個(gè)研究表明，細(xì)胞來(lái)源的外泌體可通過激活多種蛋白通路、刺激促血管生成因子、促進(jìn)血管內(nèi)皮增殖和遷移、抑制細(xì)胞凋亡等機(jī)制促進(jìn)血管生成，增強(qiáng)心肌細(xì)胞存活率，從而改善心功能[9]。

3 外泌體在HF中潛在的診斷價(jià)值

美國(guó)心臟協(xié)會(huì)/美國(guó)心臟病特別工作組發(fā)表的HF的診斷和治療指南推薦了一些預(yù)測(cè)價(jià)值高的生物標(biāo)記物，如利鈉肽、正五聚蛋白-3、半乳糖凝集素3、心肌肌鈣蛋白[10]。雖然這些生物標(biāo)志物在HF的診斷方面具有一定的優(yōu)勢(shì)，但其在風(fēng)險(xiǎn)分層方面仍存在局限性。例如，BNP和氨基末端腦鈉肽前體是最經(jīng)典的HF生物標(biāo)志物，其診斷靈敏度高，但特異性低，病人年齡、性別、BMI，以及肺栓塞、腎功能不全等其他共病的存在都會(huì)影響檢查的準(zhǔn)確性。因此，尋找特異性高、敏感性高、準(zhǔn)確性高、檢測(cè)快速且可無(wú)創(chuàng)性收集的新型生物標(biāo)記物是一項(xiàng)重要而艱巨的任務(wù)。

3.1 作為診斷生物標(biāo)志物 有研究表明，HF病人血漿外泌體miR-21、miR-425和miR-744水平降低，同時(shí)miR-425和miR-744的表達(dá)在血管內(nèi)皮成纖維細(xì)胞中被抑制，所以循環(huán)miRNAs水平可能部分反映心臟成纖維細(xì)胞的狀況且有可能成為預(yù)測(cè)心肌纖維化和HF的生物標(biāo)志物[8]。研究表明，外泌體miRNA在不同類型的HF中表達(dá)不同，如急性心力衰竭(AHF)中miR-23a、miR-23b、miR-24、miR-195和miR-214表達(dá)上調(diào)，CHF中miR-423-5p、miR-320、miR-22和miR-92b表達(dá)上調(diào)，急性心肌梗死(AMI)導(dǎo)致的HF中，miR-34a、miR-192和miR-194水平升高[11]。這在一定程度上均表明外泌體miRNA的類型對(duì)HF等各種心血管疾病診斷的特異性較高。

另外，外泌體miRNA還可以提高HF診斷的敏感性和準(zhǔn)確性。Emanuell等[12]的一項(xiàng)研究表明，冠狀動(dòng)脈旁路移植術(shù)后病人的外泌體miR-208a水平與心肌肌鈣蛋白I(cTn-I)水平有很好的相關(guān)性。Beg等[13]將CHF病人和健康志愿者的血漿總miRNA和外泌體中的miRNA進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)與血漿總miR-146a的水平相比，CHF病人外泌體中miR-146a的水平顯著升高，說明外泌體中miR-146a也可能成為HF的潛在標(biāo)志物之一，且比血漿的敏感性高。

Wu等[14]的研究表明，miR92b-5p與左房?jī)?nèi)徑(LAD)、左室舒張末期內(nèi)徑(LVDD)、左室收縮末期內(nèi)徑(LVSD)等超聲心動(dòng)圖指標(biāo)呈正相關(guān)，即其表達(dá)與左心室擴(kuò)張程度呈正相關(guān)；與LVEF、左室內(nèi)徑縮短率(LVFS)等超聲心動(dòng)圖指標(biāo)呈負(fù)相關(guān)，提示miR-92b-5p水平隨著左心室功能下降而升高。因此，外泌體miRNA與超聲心動(dòng)圖等其他診斷方式相結(jié)合可作為外泌體在HF診斷中的研究方向之一。

3.2 作為預(yù)后生物標(biāo)志物 國(guó)內(nèi)外研究顯示，外泌體miRNA除對(duì)HF具有很好的診斷價(jià)值以外，對(duì)HF病人的預(yù)后也具有較好的預(yù)測(cè)價(jià)值。研究表明，miR-146a水平的升高可區(qū)分具有良好恢復(fù)潛力的圍產(chǎn)期心肌病導(dǎo)致的急性心力衰竭(PCM-AHF)病人和可能需要心臟移植或輔助設(shè)備支持才能恢復(fù)的PCM-AHF病人。另有觀點(diǎn)認(rèn)為，循環(huán)外泌體miR-194或miR-34a與miR-425或miR-744可能對(duì)HF病人的心臟纖維化和左心室功能不全具有較好的預(yù)測(cè)價(jià)值。Bi等[15]比較了急性冠脈綜合征(ACS)病人與健康人血清外泌體的miRNA表達(dá),并進(jìn)一步驗(yàn)證miR-208a在ACS病人中的特異性，結(jié)果表明，血清外泌體在ACS中的敏感性優(yōu)于健康人，甚至對(duì)1年生存率有一定的預(yù)測(cè)價(jià)值。

雖然外泌體很有可能成為HF的新型生物標(biāo)志物，但是外泌體的分離、純化是一大難題。目前已經(jīng)研究了外泌體的各種分離、純化方法，但還沒有檢測(cè)方便、快速及獲得廣泛認(rèn)可的方法。此外，與目前臨床廣泛采用的生物標(biāo)志物相比，外泌體是否對(duì)HF具有更優(yōu)的診斷和預(yù)后價(jià)值還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

4 外泌體在HF中潛在的治療價(jià)值

目前HF的治療藥物僅能延緩病情進(jìn)展，并不能使受損心肌修復(fù)和再生，而唯一可治愈HF的方法是心臟移植，但心臟供體的有限性使其無(wú)法滿足HF病人的大量需求。隨著醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展，干細(xì)胞移植被認(rèn)為是修復(fù)受損心肌組織最有希望的治療方法之一，但其對(duì)HF的作用仍然有限，所以如何提高細(xì)胞治療的療效是關(guān)鍵問題。隨著對(duì)干細(xì)胞的深入研究，人們發(fā)現(xiàn)干細(xì)胞來(lái)源的外泌體是心肌細(xì)胞間重要的載體，其中的某些蛋白質(zhì)、miRNAs和lncRNAs在預(yù)防心肌損傷和促進(jìn)心肌修復(fù)方面發(fā)揮著重大作用。

4.1 間充質(zhì)干細(xì)胞(MSC)來(lái)源的外泌體 Nakamyra等[16]使用主動(dòng)脈縮窄導(dǎo)致的心肌肥厚作為HF模型進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)證明，早期注射人脂肪間充質(zhì)干細(xì)胞(hMSCs)可以預(yù)防心功能障礙，且其發(fā)揮作用的機(jī)制是刺激外泌體的合成與分泌。研究表明，骨髓來(lái)源的MSC或胚胎干細(xì)胞來(lái)源的外泌體可以改善實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的MI和阿霉素誘導(dǎo)的HF，修復(fù)缺血再灌注損傷。MSC在缺血預(yù)處理后分泌富含miR-22的外泌體，并將其動(dòng)員到心肌細(xì)胞中，從而減少心肌細(xì)胞因缺血而發(fā)生的凋亡。Luther等[17]的研究表明，miR-21a-5p是鼠MSC外泌體中含量最豐富的miRNA，他通過抑制磷酸酶和張力蛋白同系物/Akt信號(hào)通路促進(jìn)血管生成和心肌細(xì)胞存活，有利于心肌修復(fù)。以上研究均說明不同來(lái)源的MSC不僅對(duì)HF的發(fā)生具有預(yù)防作用，還能通過不同的機(jī)制保護(hù)及修復(fù)受損心肌。

4.2 其他細(xì)胞來(lái)源的外泌體 除MSC外，其他細(xì)胞來(lái)源的外泌體同樣可以改善HF的病理生理特征以發(fā)揮對(duì)HF的治療作用。大型動(dòng)物模型試驗(yàn)表明，心肌細(xì)胞來(lái)源的外泌體可減少AMI和恢復(fù)期MI的瘢痕形成，促進(jìn)心肌重塑，改善LVEF。Singla等[18]的研究數(shù)據(jù)表明，胚胎干細(xì)胞來(lái)源的外泌體(ES-Exos)和胚胎干細(xì)胞(ESCs)均能抑制阿霉素誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，改善心臟重構(gòu)及心臟功能。另有研究表明，心臟祖細(xì)胞(CPCs) 可通過激活細(xì)胞外基質(zhì)金屬蛋白酶誘導(dǎo)因子(EMMPRIN)發(fā)揮促進(jìn)血管生成的作用。

干細(xì)胞來(lái)源的外泌體在發(fā)揮作用的同時(shí)還具有其他治療方法所不具備的優(yōu)勢(shì)。與HF的傳統(tǒng)治療藥物相比，基于外泌體的治療可以改善生物活性分子的細(xì)胞和組織分布，從而在提高療效的同時(shí)降低毒性。此外，與干細(xì)胞移植相比，外泌體還能進(jìn)一步降低免疫原性，且易于獲得及保存[8]。但是，干細(xì)胞來(lái)源的外泌體對(duì)HF的治療仍處于初級(jí)研究階段，其發(fā)揮作用的成分及機(jī)制仍然需要進(jìn)一步探索。

5 總結(jié)與展望

HF是一種嚴(yán)重危害人類健康的全球性疾病，給病人及社會(huì)帶來(lái)了沉重的心理及經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，并且其目前的診斷和治療方法仍然存在著許多缺陷。作為細(xì)胞間信號(hào)交流的載體，外泌體通過與特定受體細(xì)胞結(jié)合、膜融合、釋放生物活性分子等方式影響目標(biāo)細(xì)胞的功能，有利于減輕炎癥反應(yīng)、抑制心肌肥厚及心肌纖維化，促進(jìn)血管生成，從而阻止HF的發(fā)生與發(fā)展。因此，目前以干細(xì)胞來(lái)源的外泌體為基礎(chǔ)的治療方法已成為心血管疾病最有前景的治療策略。但是由于外泌體研究仍然處于初級(jí)研究階段，其用于診斷、治療HF的安全性、特異性、敏感性仍不確定，且外泌體的難以分離、純化的性質(zhì)限制了其在HF中的應(yīng)用。因此，未來(lái)需要更多的相關(guān)研究來(lái)繼續(xù)深化人們對(duì)外泌體的了解，以期為HF的診斷及治療提供新的研究方向與方法。