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外泌體傳輸microRNA 在心血管疾病中的研究進展

2018-03-19 18:53:11紀細心劉劍張文超陳碩周銳飛董一飛
山東醫(yī)藥 2018年17期
關鍵詞:外泌體心肌細胞內(nèi)皮細胞

紀細心,劉劍,張文超,陳碩,周銳飛,董一飛

(南昌大學第二附屬醫(yī)院,南昌330006))

心血管疾病是我國高發(fā)病率、高病死率、高致殘性疾病,推算現(xiàn)患人數(shù)2.9億,病死率占首位,高于腫瘤和其他疾病,占居民疾病死亡構(gòu)成的40%以上[1]。因此研究心血管發(fā)病機制,為臨床治療提供良好的治療方案非常重要,傳統(tǒng)機制包括腎素-血管緊張素系統(tǒng)、炎癥氧化應激等。近年來隨著醫(yī)學的發(fā)展和進步,發(fā)現(xiàn)細胞外囊泡,尤其外泌體(曾認為是細胞丟棄的垃圾)參與多系統(tǒng)信息交流和信號轉(zhuǎn)導,產(chǎn)生生物學效應。microRNA具有調(diào)控基因表達、參與表觀遺傳修飾、細胞增殖及細胞凋亡等多種生命活動的功能,在心血管疾病發(fā)生發(fā)展過程中起重要作用?,F(xiàn)就近年來外泌體傳輸microRNA在心血管疾病中的研究進展作一綜述,為臨床心血管疾病發(fā)病機制及治療提供方向和指導。

1 外泌體基本生物學特征

1.1 外泌體來源及其內(nèi)容物 20世紀80年代,研究發(fā)現(xiàn)紅細胞在成熟過程中分泌的小囊泡可以傳遞轉(zhuǎn)鐵蛋白,并首次將這種囊泡亞型命名為exosome(外泌體)。 隨后發(fā)現(xiàn)多種細胞(腫瘤細胞,T細胞,B細胞,樹突狀細胞,內(nèi)皮細胞等)可以分泌外泌體,廣泛存在于血液、尿液、膽汁、唾液等生物體液,隨循環(huán)在體內(nèi)流動,通過不同方式產(chǎn)生生物學效應。目前,發(fā)現(xiàn)外泌體含有9 769種蛋白質(zhì),3 408種mRNA,2 838種microRNA及1 116種脂類。外泌體公認的標志蛋白主要有跨膜蛋白(CD9、CD63、CD81)、ESCRT-相關蛋白(Alix、Tsg101)、熱休克蛋白(Hsp70、Hsp90)、囊泡分選相關蛋白(Rab GTPases蛋白、annexins 、 flotillin)等[2],這些成分多與外泌體的形成與起源有關。

1.2 外泌體形成機制 外泌體是由細胞內(nèi)吞衍生所形成的直徑在40~100 nm的微膜囊泡。目前比較認可的機制為:早期的外泌體隨著細胞膜內(nèi)出芽過程的開始而形成,也稱早期核內(nèi)體,早期核內(nèi)體再次內(nèi)出芽形成各種管腔內(nèi)囊泡,形成晚期核內(nèi)體,包含腔內(nèi)囊泡的晚期核內(nèi)體稱為多囊泡體,多囊泡體被運輸?shù)饺苊阁w進行降解,或多囊泡體與細胞質(zhì)膜融合從而將其內(nèi)容物釋放到胞外環(huán)境中,所釋放的腔內(nèi)囊泡為外泌體[3]。有研究表明外泌體的釋放主要由Rab家族蛋白調(diào)節(jié),其中Rab27a 和Rab27b 控制不同階段外泌體分泌途徑[4];其次,Rab35和Rab11也能調(diào)節(jié)其分泌。關于調(diào)節(jié)外泌體分泌機制學說主要為ESCRT依賴機制、四跨膜蛋白依賴機制、脂質(zhì)依賴機制。

1.3 外泌體發(fā)揮效應學機制 外泌體廣泛存在于體液中,是機體自身細胞產(chǎn)生,無免疫原性,無疑可以看成是“內(nèi)分泌”亞學科,通過自分泌、旁分泌、遠分泌方式發(fā)揮生物學效應,與靶細胞作用方式如下:配體(即外泌體)與靶細胞膜蛋白受體相結(jié)合方式信號轉(zhuǎn)導;外泌體與靶細胞膜融合,釋放其內(nèi)容物到靶細胞內(nèi)發(fā)生效應作用;外泌體被內(nèi)吞影響靶細胞功能[5]。上述機制可能單一發(fā)生或者混合發(fā)生,在細胞不同應激狀態(tài),其機制可能會發(fā)生變化,這仍需進一步研究證實,從而便于深入干預其中某個機制環(huán)節(jié)更好的為臨床服務。

2 外泌體傳輸microRNA在心血管疾病中的作用

來源于母體細胞的外泌體攜有蛋白質(zhì)、mRNA、microRNA等生物活性物質(zhì),不僅反映其細胞來源,而且體現(xiàn)細胞生理病理狀態(tài)。此外,絕大多數(shù)血漿的microRNA包裹在外泌體或RNA-蛋白復合物,這使外泌體microRNA很可能成為心血管疾病診斷標志物。當心肌受損時,心肌細胞就會釋放特異性microRNA入血液循環(huán)中。Kuwabara等研究29個急性冠脈綜合癥患者和24個健康人的血漿microRNA變化,比較這兩組人群血漿心肌特異性microRNA-1、microRNA-133a水平,結(jié)果發(fā)現(xiàn)急性冠脈綜合癥患者血漿microRNA-1、microRNA-133a水平明顯升高,而且microRNA-133a以外泌體方式釋放到血液中[6]。此外,有研究表明血漿microRNA比肌鈣蛋白(TnT、TnI)更早更快釋放入血,microRNA很可能以外泌體運輸,microRNA更有判斷預后意義的價值。Matsumoto等[7]研究發(fā)現(xiàn)外泌體傳輸microRNA能預測急性心肌梗死后發(fā)生缺血性心力衰竭的風險。他們檢測急性心肌梗死后發(fā)生心力衰竭患者血漿中377種microRNA,發(fā)現(xiàn)p53調(diào)控的microRNA-192、microRNA-194、microRNA-34水平明顯升高,且富集在外泌體,這三種microRNA與患者急性心肌梗死1年后發(fā)生心力衰竭的風險密切相關,因此這便于指導臨床上醫(yī)護人員早期干預,延緩疾病進展,改善患者生活質(zhì)量。

2.1 動脈粥樣硬化 內(nèi)皮細胞功能障礙、平滑肌細胞遷移及增生、炎細胞浸入等是動脈粥樣硬化發(fā)生的重要因素。研究表明外泌體是參與上述細胞交流的重要介質(zhì)。kruppel樣轉(zhuǎn)錄因子2(KLF2)有抗炎,穩(wěn)定血管內(nèi)皮,防止血栓形成等作用,在抗動脈粥樣硬化性疾病中具有重要的調(diào)節(jié)作用。Hergenreider等[8]研究表明過表達KLF2內(nèi)皮細胞來源的外泌體,可以減輕ApoE-/-小鼠的血管動脈粥樣硬化。在體外實驗進一步證實這效應來源于內(nèi)皮細胞主動分泌的外泌體攜帶的microRNA-143/145(為KLF2的下游靶點),從而導致平滑肌細胞表型改變。此外,平滑肌細胞分泌的外泌體可通過旁分泌方式調(diào)節(jié)內(nèi)皮細胞的功能。人主動脈平滑肌細胞(HAoSMCs)與人臍靜脈內(nèi)皮細胞(HUVECs)共孵育,結(jié)果發(fā)現(xiàn)HUVECs自噬被抑制,進一步證實HAoSMCs分泌攜帶microRNA-221/222的外泌體,通過PTEN/Akt通路抑制HUVECs自噬調(diào)節(jié)血管功能[9]。另一項研究表明,過表達KLF5血管平滑肌細胞通過分泌含有microRNA-155外泌體,傳送給內(nèi)皮細胞,損害內(nèi)皮細胞緊密連接,抑制內(nèi)皮細胞增殖、遷移,破壞內(nèi)皮屏障的完整性,導致內(nèi)皮滲透性增加,最終促進動脈粥樣硬化的發(fā)展[10]。此外,巨噬細胞來源泡沫細胞分泌的細胞外囊泡(包括外泌體),通過整合素及下游的ERK/AKT機制調(diào)節(jié)細胞骨架肌動蛋白和黏著斑,促進血管平滑肌細胞的遷移和黏附[11]。以上研究表明外泌體介導細胞間的交流在動脈粥樣硬化發(fā)展中發(fā)揮著重要的作用。

2.2 高血壓、肺動脈高壓 腎素-血管緊張素系統(tǒng)在高血壓病理中發(fā)揮著重要的作用。有研究表明在心臟壓力負荷情況下,心肌細胞分泌攜帶AT1R的外泌體入血,調(diào)節(jié)血流動力學中的血壓變化。在AT1R基因敲除小鼠中,外源性輸入攜帶AT1R的外泌體,結(jié)果發(fā)現(xiàn)攜帶AT1R的外泌體被骨骼肌細胞、心肌細胞及腸系膜阻力血管攝取,恢復了AngⅡ誘導的血壓變化[12]。因此,在壓力負荷下心肌細胞分泌的攜帶AT1R的外泌體,在血壓調(diào)節(jié)中發(fā)揮著重要的作用。Gildea等[13]研究表明尿液來源的外泌體攜帶47種microRNA可能與個體血壓對鹽敏感性有很大的關聯(lián)性。這兩項研究表明外泌體在高血壓病理中發(fā)揮著不可忽視的作用。肺動脈高壓是一種發(fā)病率高、危害性強、病死率高的疾病,因而研究其病理生理對指導臨床治療發(fā)揮著不可忽視的作用。有研究表明在肺動脈高壓中,肺動脈內(nèi)皮細胞(PAEC)與肺動脈平滑肌細胞(PASMC)通過外泌體進行信息交流促進疾病的發(fā)展。PASMC分泌攜帶microRNA-143-3p的外泌體促進PACE炎癥和血管生成效應,干擾外泌體攜帶的microRNA-143-3p阻斷了肺動脈高壓的發(fā)生[14]。與之相反,間充質(zhì)干細胞來源的外泌體逆轉(zhuǎn)了野百合堿誘發(fā)肺動脈高壓的發(fā)生發(fā)展,結(jié)果進一步證實是由于外泌體攜帶不同microRNA介導不同的效應,間充質(zhì)干細胞來源的泌體攜有高水平的microRNA-34a、-122、-124、-127,這4種microRNA具有抗炎、抗增殖效應[15]。綜上所述研究表明攜帶不同microRNA的外泌體在肺動脈高壓中發(fā)揮著不同的作用,為肺動脈高壓治療提供新的方向和靶向治療。

2.3 心肌梗死、缺血再灌注損傷 心肌梗死是心血管疾病患者病死的主要病因,近年來研究表明外泌體是心肌梗死的重要介質(zhì)。Gallet等[16]表明心肌球細胞來源的外泌體通過心肌內(nèi)注射,減少豬的急性心肌梗死面積,改善射血分數(shù),同時改善了慢性病理性重塑(減少疤痕面積、改善纖維化、增加血管密度)。目前急性心肌梗死治療措施主要是血運重建,其雖在一定程度上減少患者的病死率和改善預后,但缺血再灌住損傷大大減弱其療效。Vicencio等[17]研究表明血液來源的外泌體改善了心肌缺血再灌注損傷,該機制是通過外泌體膜的HSP70結(jié)合在心肌細胞膜上TLR4,進而激活ERK/p38MAPK/HAP27發(fā)揮心臟保護作用。此外,Liu等[18]研究表明在體外實驗中,間充質(zhì)干細胞來源的外泌體減少H2O2誘導H9C2心肌細胞的ROS產(chǎn)生,通過AMPK/mTOR和Akt/mTOR信號通路增加自噬水平,最終抑制細胞凋亡。而且注射間充質(zhì)干細胞來源的外泌體減少缺血再灌住損傷誘導的心肌細胞凋亡和梗死面積,上調(diào)自噬相關蛋白,改善心臟功能。以上研究為我們理解心肌梗死和缺血再灌注損傷提供新的機制,為尋求更好的治療方案提供新的指導方向。

2.4 心力衰竭 心力衰竭是心臟泵功能障礙導致能量供不應求,引起體循環(huán)和(或)肺循壞淤血的綜合征。有研究表明microRNA或攜帶microRNA的外泌體與心衰疾病預后相關,外泌體攜帶microRNA能預測急性心肌梗死后發(fā)生心力衰竭的風險[7]。此外,有研究顯示外泌體參與心臟細胞間的信息交流。Bang等[19]研究表明心臟成纖維細胞來源的外泌體攜帶micro-21*(microRNA-21主要存在于成纖維細胞中,micro-21*存在于成纖維細胞分泌的外泌體中),被心肌細胞攝取,靶向調(diào)節(jié)SORBS2和PDLIM5促進心肌細胞肥大,在體內(nèi)實驗中通過注射micro-21*抑制劑逆轉(zhuǎn)了微泵注射AngⅡ誘導心臟肥大效應。這進一步表明外泌體以旁分泌方式在心臟細胞間信號轉(zhuǎn)導中發(fā)揮著重要的作用。

2.5 其他 除上述外,有研究顯示外泌體在糖尿病心肌病中發(fā)揮著不可忽視的作用。Wang等[20]研究顯示,成年2型糖尿病大鼠的心肌細胞與內(nèi)皮細胞共孵育,結(jié)果發(fā)現(xiàn)抑制內(nèi)皮細胞的增殖、遷移及血管形成,這一效應來源于病理狀態(tài)下的心肌細胞分泌高水平micro-320外泌體,被內(nèi)皮細胞攝取并靶向調(diào)節(jié)其下游基因IGF-1、HSP20及Ets2影響內(nèi)皮細胞功能,這效應可被外泌體形成或釋放的抑制劑GW4869取消。而且,過表達micro-320抑制心臟內(nèi)皮細胞的遷移及血管形成,敲除micro-320的作用與之相反。這為糖尿病心肌病血管異常治療提供新的方向。另有研究提示膿毒癥中心肌損傷被間充質(zhì)干細胞“營救”,這主要來源于間充質(zhì)干細胞分泌攜帶micro-223的外泌體,靶向調(diào)節(jié)心肌細胞Sema3A和Stat3,抑制炎癥反應和心肌細胞凋亡,發(fā)揮保護心臟的作用[21]。提示攜帶micro-223的外泌體可能是膿毒性心肌病的心臟保護劑,但這仍需大規(guī)模試驗來驗證。

3 干細胞分泌的外泌體治療前景

干細胞移植減少埂塞面積、改善左室射血分數(shù)、增加血管密度和維持心臟功能成為心臟再生學中的熱點。在動物模型上用干細胞移植改善急性心肌梗死后的心臟功能,結(jié)果發(fā)現(xiàn)移植到梗死附近的干細胞大多沒有轉(zhuǎn)化為心肌組織(比如心肌細胞),且移植2周后存在的干細胞少于6%[22]。這提示其他機制參與心臟修復過程。最近越來越多的研究者認為是干細胞旁分泌的活性物質(zhì)發(fā)揮生物學效應。最新研究顯示干細胞分泌的物質(zhì)減輕心臟損傷主要是外泌體,外泌體攜帶的蛋白質(zhì)、microRNA等活性物質(zhì)可以修復細胞損傷。Feng等[23]研究表明用缺血預處理的間充質(zhì)干細胞治療急性心肌梗死,減少心肌細胞凋亡和心臟纖維化,這效應來源其分泌攜帶microRNA-22的外泌體被心肌細胞攝取并靶向調(diào)節(jié)下游的甲基-CpG結(jié)合蛋白2發(fā)揮心臟保護作用。此外,還有Ibrahim等[24]研究表明人源性心肌球細胞分泌的外泌體減少心肌細胞凋亡、促進心肌細胞增殖和血管形成,而且在體內(nèi)動物實驗中,注射人源性心肌球細胞來源的外泌體復制出其母細胞對心臟保護的作用,進一步證實這效應可能來源于外泌體富含micro-146發(fā)揮的作用。Khan等[25]研究表明在急性心肌梗死模型中,胚胎干細胞來源的外泌體促進新生血管形成、增強心肌細胞存活,而且促進心臟祖細胞的存活和增殖,進一步證實是外泌體攜帶的micro-294促進心臟祖細胞存活和增殖。以上研究表明外泌體在心臟治療中,不僅無免疫原性和致畸胎性,并顯示很好的安全性,復制出干細胞修復心臟的效益,這無疑促進干細胞源的攜帶micro-RNA外泌體在心血管疾病治療中的快速發(fā)展。當然,外泌體臨床治療仍需不斷努力探索中。

綜上所述,外泌體傳輸microRNA廣泛參與心血管疾病,干細胞來源的外泌體在心血管疾病治療中體現(xiàn)更大的優(yōu)越性。雖然外泌體研究仍存在很多不明確問題,如外泌體半衰期、治療方式影響、外泌體療程等。但對外泌體在心血管疾病方面的研究目前正處于初級階段,隨著生物科學技術發(fā)展,相信將來外泌體在心血管方面的研究將取得較好的治療前景。

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