外泌體在阿爾茨海默病中的研究進(jìn)展

于馨蕊 王瑩

1 概述

AD是一種以認(rèn)知功能障礙和行為損傷為主要臨床表現(xiàn)的神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病。其病理特征是一系列相互作用的病理生理級(jí)聯(lián)反應(yīng)，包括β淀粉樣蛋白(β-amyloid， Aβ)的異常聚集和源自高磷酸化tau蛋白的神經(jīng)原纖維纏結(jié)的形成。作為癡呆癥的主要原因，AD約占所有病例的60%～80%[1]，而癡呆癥又是AD晚期不可逆和不可治愈的綜合征。因此，應(yīng)該投入更多的精力來確診高風(fēng)險(xiǎn)或臨床前AD人群，以便盡早干預(yù)和改進(jìn)治療方案。外泌體是細(xì)胞外囊泡的一種納米級(jí)亞型，其可以攜帶小的遺傳片段和有毒蛋白質(zhì)，并在細(xì)胞和細(xì)胞外液之間運(yùn)輸[2-3]，這可能是神經(jīng)退行性疾病進(jìn)展的機(jī)制，因此也提出了基于外泌體檢測(cè)和干預(yù)的AD早期診斷和生物學(xué)治療的新途徑。本文綜述了外泌體在AD中的研究進(jìn)展。

2 外泌體的生物學(xué)特性

在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中，外泌體參與調(diào)節(jié)神經(jīng)元發(fā)育、再生和突觸功能，并且可以被大多數(shù)細(xì)胞類型，如神經(jīng)元細(xì)胞、星形膠質(zhì)細(xì)胞、少突膠質(zhì)細(xì)胞和小神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞釋放[4-5]。一旦釋放到細(xì)胞外環(huán)境，外泌體便可以充當(dāng)信使，被鄰近的細(xì)胞捕獲或被一定距離的細(xì)胞內(nèi)化，或者進(jìn)入體液被不同的組織吸收[6]，進(jìn)而發(fā)揮消除細(xì)胞廢物，調(diào)節(jié)免疫應(yīng)答等生理作用[7-8]。此外，外泌體也參與神經(jīng)炎癥和氧化應(yīng)激，并在病理作用下，參與傳播錯(cuò)誤折疊的蛋白質(zhì)，從而導(dǎo)致疾病的發(fā)生和傳播[9]。

此外，修飾的外泌體靜脈給藥可成功地將外源性RNA傳遞到小鼠的腦組織中，這表明修飾的外泌體可能會(huì)跨越生物屏障，例如血腦屏障[10]。由于其內(nèi)含各種各樣的分子，例如蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和遺傳物質(zhì)，因此可以利用外泌體含量檢測(cè)和外源性遺傳物質(zhì)修飾技術(shù)將外源性遺傳物質(zhì)傳遞至神經(jīng)細(xì)胞的作用部位，并為疾病生物標(biāo)記物檢測(cè)和神經(jīng)系統(tǒng)疾病(如AD)的治療創(chuàng)造新的途徑。

3 外泌體參與AD的發(fā)病進(jìn)程

AD的第1個(gè)病理標(biāo)志是Aβ在腦實(shí)質(zhì)的異常聚集。Dinkins等[11]通過5xFAD小鼠模型研究證實(shí)了外泌體可以促進(jìn)Aβ聚集并加速淀粉樣斑塊的形成。為進(jìn)一步研究， Sinha等[12]首次通過細(xì)胞內(nèi)Aβ的毒性寡聚體(Aβoligomers，oAβ)與外泌體共定位的方法，證明AD腦源性外泌體可以介導(dǎo)oAβ完成在神經(jīng)元之間的擴(kuò)散，進(jìn)而在AD的發(fā)病進(jìn)展中發(fā)揮作用。

AD的第2個(gè)病理標(biāo)志是神經(jīng)元內(nèi)神經(jīng)原纖維纏結(jié)，這是由于過度磷酸化的微管相關(guān)蛋白tau的積累。而多項(xiàng)研究表明，tau可以通過外泌體從神經(jīng)元中分泌出來[13]。在AD中，tau的病理過程以明確的模式發(fā)展：首先涉及的區(qū)域是內(nèi)嗅皮層(Braak Ⅰ～Ⅱ期)，然后發(fā)展到邊緣區(qū)域(Braak Ⅲ～Ⅳ期)，最后到達(dá)新皮質(zhì)區(qū)(Braak Ⅴ和Ⅳ期)[14]。多年來，人們已經(jīng)討論了這種擴(kuò)散模式在人類大腦中的傳播機(jī)理。越來越多的證據(jù)表明,病理性tau蛋白以類朊病毒的方式聚集、復(fù)制和擴(kuò)散，繼而被受體細(xì)胞攝取，導(dǎo)致單體tau蛋白錯(cuò)誤折疊聚合[15-16]。但由于tau蛋白缺乏分泌途徑的信號(hào)序列，無法進(jìn)行神經(jīng)細(xì)胞之間的傳播，便需要通過外泌體介導(dǎo)的途徑來完成有毒蛋白質(zhì)的傳播[17]。

此外，AD的重要特征是慢性神經(jīng)炎癥和氧化應(yīng)激的活躍，進(jìn)而導(dǎo)致不可逆的神經(jīng)元功能障礙和細(xì)胞死亡[18]。而外泌體也參與神經(jīng)炎癥和氧化應(yīng)激的過程，兩者又均是Aβ積累和tau蛋白過度磷酸化的觸發(fā)因素[19]。外泌體可釋放炎性因子，使其從一個(gè)細(xì)胞擴(kuò)散到另一個(gè)細(xì)胞，近而引發(fā)炎癥級(jí)聯(lián)反應(yīng)[8]，而除釋放炎性因子外，外泌體還可以通過響應(yīng)病原刺激而轉(zhuǎn)移炎性介質(zhì)，近而影響其他細(xì)胞[8]。因此，外泌體是傳播炎癥進(jìn)而影響AD病程的關(guān)鍵因素。

除神經(jīng)細(xì)胞相互作用外，受損細(xì)胞的外泌體還可與神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞相互作用。因此，星形膠質(zhì)細(xì)胞不僅不能支持保護(hù)神經(jīng)元，而且會(huì)通過促進(jìn)鄰近細(xì)胞的二次凋亡而產(chǎn)生有害于神經(jīng)元和星形膠質(zhì)細(xì)胞本身的毒性環(huán)境。AD中星形細(xì)胞凋亡的機(jī)制可能與分泌蛋白酶活化受體4 /神經(jīng)酰胺的外泌體有關(guān)，星形膠質(zhì)細(xì)胞傾向于與外泌體更多地相互作用并積累大量的Aβ原纖維，隨后，這種積累導(dǎo)致體內(nèi)溶酶體系統(tǒng)改變，進(jìn)而誘導(dǎo)細(xì)胞死亡[20]。此外，研究發(fā)現(xiàn)中性鞘磷脂酶2 (neutral sphingomyelinase 2，nSMase2)可以調(diào)節(jié)外泌體的分泌，缺乏nSMase2的星形膠質(zhì)細(xì)胞可以免受Aβ誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡[21]。

盡管外泌體參與了AD的發(fā)病進(jìn)程，但在神經(jīng)系統(tǒng)中他們是活躍的使者，可以保護(hù)神經(jīng)元免受氧化應(yīng)激[22]。在AD研究中，發(fā)現(xiàn)外泌體既在毒性蛋白的擴(kuò)散中起作用，又在Aβ的清除上起作用，可減輕神經(jīng)系統(tǒng)的損傷。在細(xì)胞外液中，源自N2a細(xì)胞的外泌體可以消除來自AD大腦衍生的Aβ造成的突觸可塑性的破壞。這主要因?yàn)橥饷隗w表面蛋白(PrPc)對(duì)Aβ低聚物具有高度的親和力，使得外泌體可以結(jié)合并隔離小的oAβ[23]，進(jìn)而防止Aβ干擾神經(jīng)元功能。

4 外泌體作為AD診斷的生物標(biāo)志物

在有明顯的臨床癥狀表現(xiàn)之前，生物標(biāo)志物對(duì)提高AD診斷敏感性和特異性以及監(jiān)測(cè)AD的生物學(xué)活性是必要的。外泌體是各種神經(jīng)退行性疾病中細(xì)胞與細(xì)胞外液之間特定毒性蛋白質(zhì)的載體，并且其中的毒性蛋白質(zhì)可以在疾病的早期階段被檢測(cè)到。因此，從體液中檢測(cè)外泌體中的特定毒性蛋白有望成為診斷早期AD和其他神經(jīng)退行性疾病的一種方法[24]。

外泌體具有通過胞吞作用穿越血液屏障的能力，且致病狀態(tài)下主要含疾病特異性或失調(diào)的微小RNAs (microRNAs, miRNAs)，這使得miRNA在疾病診斷中占據(jù)優(yōu)勢(shì)，并有望成為新的 AD診斷生物標(biāo)志物。Lugli等[25]通過對(duì)比AD病人和健康對(duì)照者血漿中miRNAs的差異表達(dá)，發(fā)現(xiàn)共有20個(gè)miRNAs被下調(diào)，4個(gè)miRNAs被上調(diào)(miR-548at-5p、miR-138-5p、miR-5001-3p和miR-659-5p)以及7個(gè)明顯下調(diào)的miRNAs。其中miR-342-3p被認(rèn)定是診斷AD的獨(dú)立生物標(biāo)志物。Cheng等[26]的一項(xiàng)研究對(duì)血清外泌體miRNA進(jìn)行了測(cè)序分析并發(fā)現(xiàn)14種可能用作生物標(biāo)記物的miRNAs明顯上調(diào)：miR-361-5p、miR-30e-5p、miR-93-5p、miR-15a-5p、miR-143-3p、miR-335-5p、miR-106b-5p、miR-101-3p、miR-425-5p、miR-106a-5p、miR-18b-5p、miR-3065-5p、miR-20a-5p和miR-582-5p；3種可能用作生物標(biāo)記物的miRNAs明顯下調(diào)。綜上所述，外泌體中的miRNA可以為AD提供準(zhǔn)確的早期診斷。

數(shù)項(xiàng)關(guān)于早期檢測(cè)AD病人腦脊液(cerebrospinal fluid，CSF)和血漿中Aβ1-42的研究表明，比起血漿中的Aβ1-42，CSF中的Aβ1-42更適合用作AD生物標(biāo)志物[27-30]。由于CSF中Aβ主要來源于病變細(xì)胞分泌的外泌體，因此檢測(cè)CSF外泌體中的Aβ1-42有望改善AD的診斷敏感性。在聯(lián)合檢測(cè)CSF P-tau和Aβ1-42的研究中，CSF外泌體中Aβ1-42和P-tau蛋白的聯(lián)合檢測(cè)對(duì)AD的早期診斷可能更有價(jià)值[31]。Fiandaca等[32]進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，血漿中神經(jīng)細(xì)胞來源的外泌體中P-S396-tau、P-T181-tau和Aβ1-42的水平可以預(yù)測(cè)在臨床發(fā)病前長(zhǎng)達(dá)10年的AD發(fā)生。此外，外泌體中Aβ1-42的表達(dá)水平還可以作為檢測(cè)AD病程進(jìn)展的標(biāo)志物。

5 外泌體對(duì)AD的治療作用

多項(xiàng)研究表明，間充質(zhì)干細(xì)胞來源的外泌體可促進(jìn)神經(jīng)元功能恢復(fù)[33]、神經(jīng)血管可塑性[34-35]以及修復(fù)腦外傷和神經(jīng)退行性疾病中的受損傷組織，實(shí)現(xiàn)神經(jīng)保護(hù)的作用。因此，有可能使用間充質(zhì)干細(xì)胞來源的外泌體對(duì)AD進(jìn)行治療。此外，通過大腦內(nèi)給藥的方法，可利用外泌體表面糖鞘脂上富集的聚糖使外泌體與Aβ結(jié)合，從而起到有效清除Aβ的作用[36]，這為AD提供了新的治療手段。

由于外泌體RNA的轉(zhuǎn)運(yùn)能力、在體液中的穩(wěn)定存在以及穿越血腦屏障的能力，其可以用作載體，通過遞送核酸片段(例如miRNA和siRNA)來治療AD。多項(xiàng)體外和體內(nèi)研究表明，間充質(zhì)干細(xì)胞外泌體能將功能性miRNA轉(zhuǎn)移至神經(jīng)細(xì)胞并促進(jìn)神經(jīng)元重構(gòu)，抑制細(xì)胞凋亡，從而促進(jìn)神經(jīng)元功能恢復(fù)[35,37]。例如，Xin等[35]證實(shí)富含miR-133b的外泌體可促進(jìn)神經(jīng)血管可塑性，從而大大增強(qiáng)了神經(jīng)細(xì)胞的生長(zhǎng)。在另一項(xiàng)研究中，通過外泌體遞送miR-124a增強(qiáng)了星形膠質(zhì)細(xì)胞表面興奮性氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白2的表達(dá)，從而調(diào)節(jié)突觸活性并改善谷氨酸的吸收[38]，該方法也有望減輕AD的神經(jīng)元凋亡。

6 小結(jié)

綜上，由于外泌體的細(xì)胞起源和形成條件的不同，外泌體可能對(duì)AD的發(fā)病過程產(chǎn)生“雙刃劍”作用：既可以傳播有毒蛋白質(zhì)和誘導(dǎo)AD進(jìn)展，又可以清除毒性蛋白，減輕神經(jīng)系統(tǒng)的損傷。此外，由于其獨(dú)有的生物學(xué)特性，外泌體可能還將成為AD早期診斷和治療的新熱點(diǎn)。