外泌體miRNA在妊娠期糖尿病發(fā)病中作用的研究進(jìn)展

張秋雨，徐霞，顏建英

外泌體廣泛存在于各種體液中，通過體液循環(huán)在細(xì)胞間傳遞物質(zhì)和信息，參與人體多種生理和病理過程，已經(jīng)成為早期預(yù)測和診斷疾病的重要生物標(biāo)記物。隨著高通量測序技術(shù)的發(fā)展，發(fā)現(xiàn)外泌體miRNA可以通過多種途徑調(diào)節(jié)糖脂代謝、肝糖原代謝和胰島素分泌等代謝，在妊娠期糖尿病(gestational diabetes mellitus，GDM)發(fā)生發(fā)展過程中發(fā)揮重要作用[1]。研究發(fā)現(xiàn)，在不同妊娠階段，正常糖耐量(normal glucose tolerance，NGT)孕婦與GDM孕婦體液循環(huán)中外泌體miRNA的含量和生物活性均存在差異，推測外泌體miRNA含量或表達(dá)異常可能導(dǎo)致胰島β細(xì)胞損傷和胰島素抵抗(insulin resistance,IR)，從而在GDM病理機(jī)制中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

1 外泌體與外泌體miRNA

1.1 外泌體

外泌體是由細(xì)胞主動分泌的具有脂質(zhì)雙分子層膜結(jié)構(gòu)的直徑約為50～150 nm的微小囊泡，攜帶各種蛋白質(zhì)、脂質(zhì)、DNA和RNA(miRNA、mRNA、lncRNA、circRNA)等物質(zhì)，是一種幾乎能被所有類型的細(xì)胞分泌的胞外囊泡(extracellular vesicles，EVs)。1983年，Pan BT等[2]在觀察綿羊網(wǎng)織紅細(xì)胞體外成熟的過程中首次觀察到外泌體；1987年，Johnstone RM等[3]首次提出外泌體的概念，即外泌體是通過胞內(nèi)噬菌體囊化并胞吐釋放的微小膜泡。目前研究表明,所有哺乳動物細(xì)胞都能產(chǎn)生和釋放外泌體，并廣泛存在于尿液、乳汁、唾液和血液等各種體液中，證明外泌體是細(xì)胞間傳遞物質(zhì)和信息的重要媒介，能通過直接融合、內(nèi)吞、受體與配體結(jié)合等方式轉(zhuǎn)移到對應(yīng)的靶細(xì)胞或靶器官，參與細(xì)胞間通訊過程，調(diào)節(jié)機(jī)體內(nèi)抗原呈遞、免疫反應(yīng)、腫瘤生長和細(xì)胞分化等生物過程，從而參與各種疾病的發(fā)生和發(fā)展[4-5]。

1.2 外泌體中的miRNA

miRNA是一類內(nèi)源性的、長度約為20～24個核苷酸的非編碼小RNA，存在于大多數(shù)生物體液中，并且比mRNA和蛋白質(zhì)更穩(wěn)定。miRNA主要是通過pre-mRNA的調(diào)節(jié)因子直接控制相關(guān)生物過程蛋白表達(dá)，在細(xì)胞生長、分化、程序性細(xì)胞死亡和脂質(zhì)代謝途徑的調(diào)節(jié)中發(fā)揮重要作用[6]。然而，研究發(fā)現(xiàn)體液循環(huán)中某些miRNA含量與對應(yīng)胞外囊泡miRNA含量不同，顯示外泌體miRNA是一種區(qū)別于血清總miRNA獨(dú)立存在的生物標(biāo)志物。2006年，有研究發(fā)現(xiàn)腫瘤細(xì)胞和干細(xì)胞來源的胞外囊泡攜帶的miRNA能影響受體細(xì)胞基因表達(dá)。Valadi H等[7]發(fā)現(xiàn)小鼠肥大細(xì)胞來源的外泌體miRNA在人類肥大細(xì)胞內(nèi)正常表達(dá)，證明外泌體作為遺傳信息載體能影響受體細(xì)胞內(nèi)基因表達(dá)，為研究外泌體在生物體內(nèi)的作用機(jī)制提供一個新方向。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)外泌體特殊膜結(jié)構(gòu)能夠保護(hù)其內(nèi)部RNA免受酶降解，因此，外泌體內(nèi)各種RNA較體液中RNA更為穩(wěn)定，含量更高。外泌體miRNA進(jìn)入靶細(xì)胞后可以直接與靶mRNA的3’端非編碼區(qū)結(jié)合，抑制靶基因及其下游基因表達(dá)；也可以與lncRNA等“海綿”結(jié)合，發(fā)揮生理調(diào)節(jié)作用[8]。目前已經(jīng)有越來越多關(guān)于外泌體miRNA在各種生物過程中作用機(jī)制的研究，隨著量化和確定其成分特征的分析工具和技術(shù)的發(fā)展和完善，外泌體miRNA已經(jīng)成為許多疾病診斷、預(yù)后和個性化治療的重要生物標(biāo)志物。

2 外泌體miRNA在GDM發(fā)病中的作用機(jī)制

GDM可能起源于特定的基因突變和/或胎盤激素調(diào)節(jié)失衡，在長期IR作用下胰島β細(xì)胞受損，不能代償調(diào)節(jié)血糖，是一種常見的妊娠期疾病。GDM將增加產(chǎn)后罹患2型糖尿病(diabetes mellitus type 2，T2DM)的風(fēng)險，增加母兒大腦、肝臟等器官并發(fā)癥的發(fā)生率。目前研究認(rèn)為，胰島β細(xì)胞損傷和IR是GDM的重要病理生理機(jī)制。許多學(xué)者已經(jīng)證明外泌體miRNA在GDM胰島β細(xì)胞損傷和IR中發(fā)揮重要作用，由于妊娠11周后就能檢測到被釋放到母體循環(huán)中的胎盤外泌體標(biāo)志物，因此，臨床期望通過檢測外泌體miRNA從而早期診斷GDM[9]。

2.1 外泌體miRNA與胰島β細(xì)胞損傷

大約70%胰腺細(xì)胞是胰島β細(xì)胞，通過儲存和分泌胰島素調(diào)節(jié)葡萄糖代謝，維持血糖穩(wěn)態(tài)，當(dāng)胰島β細(xì)胞不能釋放足夠胰島素控制血糖濃度時，稱為胰島β細(xì)胞功能障礙。妊娠中晚期，機(jī)體抗胰島素樣物質(zhì)增加，機(jī)體對胰島素的敏感性降低，胰島素需求量增加，胰島β細(xì)胞功能障礙的孕婦胰島素分泌受限，代償失調(diào)導(dǎo)致血糖升高，使原有的糖尿病加重或出現(xiàn)GDM。胰島β細(xì)胞損傷或功能障礙將促進(jìn)GDM病情發(fā)展，出現(xiàn)高血糖和IR，從而導(dǎo)致胰島β細(xì)胞功能障礙。

Zhang A等[10]研究表示，胰島β細(xì)胞不僅可以分泌胰島素，還能選擇性地分泌miRNA， 通過外泌體介導(dǎo)調(diào)節(jié)胰島素分泌、胰島β細(xì)胞中的胰島素信號通路和胰島活性。Yoffe L等[11]研究發(fā)現(xiàn)，某些外泌體 miRNA 的富集可以調(diào)節(jié)GDM相關(guān)基因，有助于維持胰島β細(xì)胞穩(wěn)態(tài)，但長期暴露于高濃度的葡萄糖和脂肪酸將下調(diào)相關(guān)外泌體miRNA表達(dá)。Guay C等[12]研究發(fā)現(xiàn)，糖尿病小鼠T淋巴細(xì)胞來源的外泌體miRNA能夠觸發(fā)正常小鼠胰島β細(xì)胞凋亡，促進(jìn)募集免疫細(xì)胞，誘導(dǎo)自身免疫攻擊，證明外泌體miRNA在免疫細(xì)胞和胰島β細(xì)胞間通訊的重要作用。Xu H等[13]研究表明，miR-26a不僅通過自分泌調(diào)節(jié)胰島素分泌和胰島β細(xì)胞增殖，還能通過旁分泌調(diào)節(jié)外周胰島素敏感性。Gesmundo I等[14]研究發(fā)現(xiàn)，炎癥脂肪細(xì)胞與正常機(jī)體中生理脂肪細(xì)胞來源的胞外囊泡中miRNA表達(dá)存在差異，胰島β細(xì)胞信號通路傳導(dǎo)異常，影響胰島β細(xì)胞增殖和胰島素分泌。Qian B等[15]研究證明，巨噬細(xì)胞通過介導(dǎo)外泌體miR-212-5p的細(xì)胞間轉(zhuǎn)移，調(diào)節(jié)受體胰島β細(xì)胞中的 Akt/GSK-3β/β-catenin 通路以限制胰島素分泌，影響機(jī)體血糖調(diào)節(jié)。以上證明外泌體miRNA與糖尿病胰島β細(xì)胞損傷和功能障礙密切相關(guān)。

2.2 外泌體miRNA在胰島素抵抗中的作用

IR是指各種原因降低了胰島素促進(jìn)葡萄糖攝取和利用的效率，機(jī)體代償性分泌過多胰島素產(chǎn)生高胰島素血癥，是靶細(xì)胞或組織對胰島素敏感性或反應(yīng)性降低的病理狀態(tài)，易導(dǎo)致代謝綜合征和糖尿病，主要發(fā)生于需要依賴胰島素來利用葡萄糖的細(xì)胞，如脂肪細(xì)胞、肌肉細(xì)胞和肝細(xì)胞。雖然IR的確切原因尚未完全闡明，但有學(xué)者提出，可能與氧化應(yīng)激、炎癥、胰島素受體突變、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激和線粒體功能障礙等有關(guān)。分子層面上，IR可能與胰島素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)障礙有關(guān)，導(dǎo)致葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白4(GLUT4)的質(zhì)膜轉(zhuǎn)位不足，不足以將葡萄糖轉(zhuǎn)入受體細(xì)胞。Catalano PM[16]研究發(fā)現(xiàn)，與正常妊娠相比，GDM患者胰島素刺激下的葡萄糖攝取率降低54%。

Ying W等[17]研究發(fā)現(xiàn)，miR-690是一種來自巨噬細(xì)胞外泌體攜帶的miRNA，在巨噬細(xì)胞炎癥調(diào)節(jié)和胰島素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中發(fā)揮作用，能有效改善肥胖小鼠胰島素敏感性。Pan Y等[18]研究表示，脂肪細(xì)胞分泌的外泌體miR-34a通過抑制M2巨噬細(xì)胞極化，促進(jìn)肥胖引起的葡萄糖耐受、IR和全身炎癥。Sun Y等[19]研究證明，胰島β細(xì)胞內(nèi)的外泌體miR-29通過促進(jìn)機(jī)體單核細(xì)胞和巨噬細(xì)胞的募集和激活，調(diào)節(jié)全身炎癥和葡萄糖穩(wěn)態(tài)。Li J等[20]研究顯示，胰島β細(xì)胞釋放的外泌體miR-29s能夠抑制肝臟傳導(dǎo)胰島素信號，葡萄糖生成增加，能夠調(diào)節(jié)肝臟對胰島素的敏感性，控制葡萄糖穩(wěn)態(tài)。Wu J等[21]研究證明，肝臟外泌體來源的miR-130a-3p通過抑制脂肪細(xì)胞中PHLPP2基因表達(dá)，調(diào)節(jié)脂肪組織能量代謝，減輕葡萄糖耐受不良。Li D等[22]研究發(fā)現(xiàn)，性腺白色脂肪組織來源的外泌體miR-222通過抑制IRS1表達(dá)以促進(jìn)肥胖小鼠肝臟和骨骼肌的IR。Dang SY等[23]研究顯示，脂肪組織來源的外泌體miR-141-3p可以介導(dǎo)肝細(xì)胞的胰島素敏感性和葡萄糖攝取。Tian F等[24]研究顯示，來源于脂肪組織巨噬細(xì)胞的外泌體miR-210通過靶向NDUFA4基因表達(dá)，調(diào)節(jié)葡萄糖攝取和線粒體活性，從而誘導(dǎo)糖尿病。Zhang Z等[25]研究發(fā)現(xiàn)，脂肪來源的外泌體miR-148能夠通過調(diào)節(jié)內(nèi)臟脂肪厚度減少GDM患病率。以上證明外泌體miRNA在IR病理過程中發(fā)揮重要作用。

3 外泌體miRNA在GDM臨床應(yīng)用的價值

近年來，越來越多研究表明，外泌體miRNA在健康孕婦和GDM孕婦體液中表達(dá)明顯存在差異，且GDM及其相關(guān)并發(fā)癥的發(fā)展過程存在階段特異性。由于外泌體特殊膜結(jié)構(gòu)，其攜帶的miRNA在組織和細(xì)胞中更穩(wěn)定，較蛋白質(zhì)更易提取，已有許多研究證明，外泌體miRNA預(yù)測和診斷GDM具有較高的敏感性和特異性。外泌體可作為一種新型納米材料，輸送miRNA抑制劑和激動劑用于GDM治療，擁有更高的效率和靶向性，這是一種十分有潛力的GDM治療措施。Lv Q等[26]利用電穿孔將miR-21-5p模擬物加載到人類脂肪干細(xì)胞(HASC)來源的外泌體中，發(fā)現(xiàn)外泌體miR-21-5p可促進(jìn)糖尿病大鼠創(chuàng)面再上皮化、血管生成和膠原重塑，促進(jìn)創(chuàng)面愈合。Shi R等[27]研究證明，糖尿病小鼠血液中熒光標(biāo)記的外泌體可以攜帶miRNA穿過胎盤屏障，并可能在胚胎發(fā)育期間穿透胚胎心臟等器官或組織。提示可以利用外泌體miRNA降低糖尿病及其并發(fā)癥的發(fā)生率。

然而，外泌體miRNA的臨床應(yīng)用還存在局限[28]。首先，外泌體的分離純化技術(shù)還不成熟。目前，分離純化胞外囊泡可以通過超高速離心、過濾、沉淀和免疫富集等方法，但均無法明顯區(qū)分外泌體和其他胞外囊泡，將影響后續(xù)外泌體miRNA的體內(nèi)外實(shí)驗(yàn)。其次，由于外泌體miRNA在患者血清中含量較低，在臨床應(yīng)用中缺乏高效收集的方法，限制了外泌體miRNA作為診斷和治療的標(biāo)志物在臨床上應(yīng)用。第三，需要進(jìn)一步研究外泌體miRNA特異性，以確定其是否與一種或多種疾病相關(guān)，并探索外泌體miRNA在疾病中潛在的分子機(jī)制。第四，外泌體miRNA調(diào)控GDM的確切機(jī)制和具體作用有待進(jìn)一步闡明。第五，開發(fā)基于外泌體的靶向藥物運(yùn)輸系統(tǒng)比較困難。最后，盡管外泌體miRNA在許多糖尿病動物模型的治療中發(fā)揮重要作用，但仍然缺乏臨床試驗(yàn)來證實(shí)其準(zhǔn)確性和安全性。

總而言之，利用外泌體miRNA治療糖尿病仍然具有挑戰(zhàn)性，進(jìn)一步研究外泌體miRNA的功能和機(jī)制將為糖尿病的早期篩查、診斷和治療提供新的方法。

4 總結(jié)

近年來，隨著高齡孕婦的增多以及生活模式的改變，GDM的發(fā)病率逐年增加，臨床能夠診斷GDM時，孕婦已處于過長時間的高血糖狀態(tài)，不利于GDM及其相關(guān)并發(fā)癥的防治。目前研究認(rèn)為，胰島β細(xì)胞損傷和IR是GDM重要的病理生理機(jī)制，許多研究顯示，外泌體miRNA在GDM胰島β細(xì)胞損傷和IR中可能發(fā)揮重要作用。由于外泌體miRNA穩(wěn)定存在于患者的血液、尿液和其他體液中，妊娠11周后即可在孕婦外周血中發(fā)現(xiàn)胎盤來源的外泌體，因此，臨床期望能夠通過對相關(guān)外泌體miRNA的檢測從而早期診斷GDM，改善患者的預(yù)后效果。