外泌體在心肌梗死中的研究進展

李東戈 黃宇理 康品方 熊 念

(蚌埠醫學院第一附屬醫院，安徽 蚌埠 233004)

?

外泌體在心肌梗死中的研究進展

李東戈 黃宇理 康品方 熊 念1

(蚌埠醫學院第一附屬醫院，安徽 蚌埠 233004)

心肌梗死；外泌體；微小RNA(microRNA)

心肌梗死是由于持續性的冠狀動脈缺血導致的嚴重疾病，可以導致心肌壞死及心肌細胞的喪失，引發心功能不全、猝死等，嚴重威脅人類健康。目前臨床上治療心肌梗死的主要方法有藥物治療、冠脈介入治療及冠狀動脈旁路移植術等。這些手段能夠緩解急性期的最初心肌損害，但是，梗死的心肌不可再生；此外，心梗急性期后，心臟重塑造成的心衰、心源性休克等問題依然影響著后續治療。因此，亟需新的治療手段解決這些問題。以間充質干細胞(MSCs)為代表的干細胞為基礎的治療在心血管疾病的治療中顯示出了新的希望，因為MSCs具有多向分化及旁分泌功能〔1〕。在特殊的微環境及體內外細胞因子誘導后，MSCs可以分化為心肌細胞、內皮細胞及血管平滑肌細胞等〔2〕。最近的研究顯示，多種干細胞可以分泌外泌體，它們是一些含蛋白質、膽固醇、磷脂及RNA等物質的小囊泡，可以減少心肌損傷、促進心臟修復〔3〕。因此，基于外泌體及內容物對于心血管系統的保護作用，為心肌梗死的治療開辟了新的思路。

1 外泌體

1.1 外泌體的概念及特點 外泌體是由細胞內的多囊泡小體分泌并通過細胞膜釋放到細胞外環境中的一些小囊泡，直徑約40～200 nm。內含多種物質，包括細胞因子、蛋白質、脂類、信使RNA、微小RNA(miRNA)及核糖體RNA〔4，5〕。外泌體的特點：(1)特異性：外泌體可以由淋巴細胞、血細胞、腫瘤細胞等多種細胞所釋放，不同外泌體所含的RNA、蛋白質及其功能有所差異〔6，7〕。(2)中間介導及轉運作用：外泌體能夠通過轉運蛋白質、信使RNA、miRNA等來介導細胞之間的相互聯系。例如，慢性髓細胞性白血病中的腫瘤細胞所分泌的miR-126(可調節腫瘤細胞黏附性及遷移能力)被發現可穿梭至內皮細胞〔8〕；此外，這些腫瘤細胞釋放的外泌體刺激骨髓基質細胞釋放白細胞介素-8從而促進白血病的進展〔9〕。因此，外泌體被認為是通過傳遞蛋白質、mRNA及miRNA等物質到鄰近細胞，促進細胞之間交流從而產生生物學效應的中介物質〔10〕。(3)廣泛性：在體液中廣泛存在，比如血液、尿液、唾液、乳汁等〔11〕。(4)可調節性：從細胞釋放出的外泌體主要通過特定的Rab GTP酶(Rab7a/b和Rab35)來調節〔12〕。同時，外泌體的分泌及蛋白組成可受環境中的病理性變化所調節，這些病理變化包括組織缺氧、發熱、酒精中毒等〔13〕。(5)靶向性：研究發現：心臟組織釋放出的外泌體，尤其是源于梗死心肌邊緣區的外泌體與正常心肌產生的外泌體，在種類與數量上、轉運途徑及功能等方面都有差異，由此可以進一步探索梗死心肌周圍的外泌體與心肌保護的相關性，從而對梗死區實施靶向治療〔14，15〕。

1.2 外泌體中miRNA的中間介導作用 近期研究表明：源于多種組織的外泌體中，miRNAs發揮著中間介導作用〔16〕。起源于MSCs的外泌體通過miR-16的中間介導作用，使得乳腺癌細胞中的血管內皮生長因子下調，最終導致血管再生受到明顯抑制〔17〕。在心血管系統中，承載著miRNAs的外泌體可以迅速集中到心肌細胞和內皮細胞中，促進血管再生，使心肌得到保護〔18〕。Kuwabara等〔19〕在急性冠脈綜合征患者研究中發現：血液中miR-1和miR-133a是升高的；使用一個心肌梗死的大鼠模型進一步研究發現：miR-133a是缺血的心肌細胞分泌的外泌體所釋放的；進一步研究發現：應用低氧誘導因子1(HIF1)造成低氧環境，將心臟祖細胞(CPCs)移植到心梗區域，HIF1高度表達的內皮細胞會釋放出大量的外泌體能夠被移植到心梗區域的CPCs所攝取，這些外泌體中miR-126和miR-210的水平明顯升高，最終心臟功能得到了改善。這暗示了miRNAs在心肌保護方面有著重要作用〔20〕。已證實，miR-214是由人類內皮細胞分泌的外泌體所釋放的，并且在缺血的心臟中是明顯上調的〔21，22〕。Susmita等〔23〕研究發現血液循環中人類CD34+干細胞分泌的外泌體含有大量的miR-126。循環中miR-126的水平能夠反映干細胞分泌的外泌體的動員與釋放情況。進一步研究發現：在組織缺氧與非缺氧情況下，有7種miRNAs在CPCs分泌的外泌體中出現了不同的表達。miR-103與miR-105b在內皮細胞與成纖維細胞中明顯升高，因為這些細胞可以攝取源于CPCs的外泌體〔24〕。以上研究結論顯示：外泌體轉運著miRNA的信息，不同細胞起源的外泌體誘導miRNA的選擇性表達，這可以保護細胞在缺血條件下減少死亡。

2 外泌體在心肌梗死中的益處

2.1 外泌體對于心臟方面的益處

2.1.1 抗凋亡 心肌梗死導致心肌細胞的進行性喪失最終導致心功能不全，然而，正常心肌細胞不能取代凋亡的細胞。Feng等〔25〕研究發現：MSCs可以通過轉運外泌體中的miR-22作用于靶點甲基CpG結合蛋白2(MECP2)來減少心肌細胞凋亡，從而改善缺血性心肌損傷。Lucio等〔26〕研究發現：由CPCs分泌的外泌體中高度富含微小RNA，包括：miR-210、miR-132等。miR-210抑制了心肌細胞的凋亡，miR-132增強了內皮細胞的血管生成。通過向梗死的心臟中注射源于人心臟祖細胞分泌的外泌體，與注射對比劑的對照組相比較發現：這一舉措可以抑制心肌細胞凋亡，增強血管生成，改善心臟功能。

2.1.2 抗心臟重塑 心臟重塑，是各種心血管疾病代償的結果，如心肌肥厚、心肌纖維化等，如不能得到恰當的治療通常會發展成心力衰竭。Arslan等〔3〕研究發現，在心肌經歷了缺血再灌注損傷之后，源于MSCs的外泌體能夠通過激活促生存信號、恢復能量代謝及減少氧化應激等作用來增強心肌活力，延緩了心臟重塑。Khan等〔27〕發現：老鼠胚胎干細胞分泌的外泌體可以通過加強血管生成、心肌細胞生存以及抗心臟重塑等使得梗死后的心功能得到強化。

2.1.3 心血管細胞再生 由于病理微環境或損害因素(如心肌梗死)所致的心肌細胞的壞死和凋亡是心衰的主要原因，然而傳統的治療，比如藥物治療、外科手術、介入療法等受到一定的限制。Sabin等〔28〕研究報道：心臟祖細胞(CPCs)釋放的外泌體能夠誘導心肌的再生。這暗示了外泌體在心肌再生方面具有臨床意義。

2.1.4 抗炎作用 Arslan等〔3〕研究報道，在心臟發生缺血再灌注損傷后，MSCs分泌的外泌體可以增加白細胞計數，緩解心梗伴隨的炎癥反應，從而增強心臟功能；此外，這些外泌體還可以減輕肺部炎癥，從而緩解肺動脈高壓。這表明，源于MSCs的外泌體在心血管疾病中發揮著抗炎作用。

2.2 外泌體對于血管方面的益處

2.2.1 血管再生 Bian等〔29〕研究發現：從人的MSCs來源的外泌體可促進心肌梗死的大鼠血管再生。MSCs在低氧環境下可以釋放出大量的外泌體，這些物質能夠及時被人臍靜脈內皮細胞所攝取，同時內部化從而導致內皮細胞在體外增殖、遷移及血管形成的劑量依賴性增強。Vrijsen等〔30〕報道：源于CPCs的外泌體可以促進內皮細胞的遷移改善心功能，促進VEGF的分泌導致血管再生。以上證據說明外泌體能通過促進血管生成、減少缺血性損傷從而保護心肌細胞。

2.2.2 抗血管重塑 血管重塑是對血管細胞的增生、肥大、凋亡、遷移以及細胞外基質的生成和降解的一種適應性反應。Vergadi等〔31〕通過對一些患有肺動脈高壓的大鼠進行研究發現，源于MSCs的外泌體可以通過阻斷缺氧誘導的促有絲分裂因子(HIMF)的表達從而抑制細胞的不良增殖，抑制肺動脈壓力、抗血管重塑。這表明MSCs起源的外泌體有著抗血管重塑的作用。

3 外泌體在心肌梗死診療中的作用

3.1 外泌體為心肌梗死的診斷提供了新的思路 近期研究表明，外周血循環中顯著升高的外泌體miRNA-133a主要來源于損傷的心肌，有望成為新型心肌損傷標志物〔32〕。研究發現：心肌缺血時，源于間充質干細胞的外泌體包含的miR-22數量是增長的，它們可能靶向運送到心肌細胞中發揮心肌保護作用〔25〕。此外，Cheng等〔33〕研究發現在大鼠急性心肌梗死后尿液中的miRNAs迅速升高，24 h達到峰值，實驗數據表明超過正常基線數倍。在正常的尿液中，沒有發現miR-208，但在急性心肌梗死的大鼠尿液中，miR-208很容易被檢測到。同時，在心肌梗死病人中尿液中的miR-1水平也是明顯增高的。以上這些研究結論表明，外泌體及內容物在心肌梗死的診斷方面可能有著新的前景。

3.2 外泌體在心肌梗死的治療作用包括兩個方面

3.2.1 減輕心血管細胞的損傷 在小鼠缺血再灌注模型的相關研究中，單次靜脈應用源于間充質干細胞的外泌體使得小鼠的心梗面積減少了45%。此外，外泌體療法能夠減輕小鼠缺血再灌注損傷之后的系統炎癥反應〔3〕。Bian等〔29〕使用急性心肌梗死的大鼠模型，用上述外泌體對其進行心肌內注射后發現心肌血流明顯增強。Lai等〔34〕研究發現，間充質干細胞分泌的外泌體可以減少心肌的缺血再灌注損傷。這些外泌體通過減少氧化應激，增加ATP和NADP，控制炎癥活動以及激活PI3K/Akt通路，從而在缺血再灌注損傷后，對心肌的生存及左室收縮功能的保留產生保護性的作用，這表明外泌體用于缺血再灌注損傷的治療可能作為一種補充性的實體。Feng等〔35〕研究發現：當處于缺血條件下時，源于間充質干細胞的外泌體包含的miR-22數量是增長的，它們可能被集中到心肌細胞中通過miR-22作用于靶點MECP2來對抗心肌細胞凋亡。此外，心肌纖維化也被外泌體所對抗，這表明了外泌體在梗死的心肌中起到了保護作用。在Zhao等〔36〕研究發現，人體臍帶血中的間充質干細胞釋放的外泌體(hucMSC-exosomes)在心肌梗死時對于缺血心肌存在著保護作用。將一些大鼠的左前降支冠狀動脈被結扎后隨即予以外泌體靜脈應用，結果表明，hucMSC-exosomes通過保護心肌細胞免于凋亡及促進血管生成改善了心臟的收縮功能。此外，Bcl-2是一種重要的抗凋亡蛋白，hucMSC-exosomes可以顯著增加暴露于低氧環境下的心肌細胞中的Bcl-2，從而抵抗心肌細胞凋亡。Arslan等〔3〕研究發現：源于間充質干細胞的外泌體可以增加三磷酸腺苷(ATP)的水平，減少氧化應激，激活了PI3K/Akt通路來增強心肌細胞的存活率同時阻止了心肌缺血再灌注損傷的不良重塑。以上研究表明，心肌缺血時，外泌體可以通過減輕心血管細胞損傷對心肌進行保護。

3.2.2 促進心血管細胞的修復 近期研究表明：干細胞在受損心肌的修復有益作用是通過釋放外泌體所發揮的〔37〕。相關動物實驗研究發現：在心肌梗死的老鼠心臟中，心臟祖細胞(CPCs)分泌的外泌體對心臟具有保護作用，通過阻滯外泌體的分泌減弱了CPCs的保護作用，特別指出的是，miR-146a被發現在CPCs分泌的外泌體的心臟保護作用中發揮了主要作用。CPCs同時還能通過轉運外泌體促進血管生成以及體外心肌細胞的存活〔24〕。Khan等〔27〕進一步研究發現：老鼠胚胎干細胞分泌的外泌體具有在梗死的心臟中強化心功能的作用，這些作用體現在：加強血管生成、心肌細胞生存以及減少梗死后心肌纖維化。在一個缺血-再灌注的老鼠模型中，外泌體通過一種涉及“Toll”樣受體4及經典的熱休克蛋白70的途徑向心肌傳送著內源性保護信號〔38〕。GATA-4高度表達的間充質干細胞分泌的外泌體通過釋放出了多種miRNAs改善了心臟的收縮功能，同時減小了梗死的面積，這些miRNAs負責細胞生存信號通路的活性〔39〕。筆者發現，源于心臟祖細胞和骨髓間充質干細胞的外泌體在心梗后可以改善心臟重塑，提升心臟功能。Kang等〔40〕研究發現：CXCR4，作為一種G蛋白藕聯受體，與它的主要配體基質細胞衍生因子SDF-1α一起在干細胞/祖細胞的活動中起到調節作用。CXCR4高表達的間充質干細胞分泌的外泌體在心肌梗死時可通過Akt信號通路促進了缺血心肌的保護。被植入體內的間充質干細胞成分預處理后的外泌體通過增加血管的生成、減少梗死的面積以及改善了心臟的重構從而促進了心功能的恢復。富含CXCR4的外泌體可以保護體內、體外的心肌細胞減少缺血再灌注損傷。作為一種新的治療策略，可以促進缺血性心臟的心肌細胞存活及血管再生，促進血運重建等。以上研究表明，外泌體可以通過改善心臟重塑，抑制纖維化等途徑促進心梗后心臟修復。

4 外泌體在心肌梗死中的展望與前景

以上研究表明，外泌體中間介導了多細胞之間的通訊與交流，在一定條件下，外泌體可以增加心肌細胞的存活、抑制凋亡等。因此，外泌體在心肌梗死的診療中有著廣闊的前景。當然，有關外泌體在心肌梗死治療中潛在的具體機制還需進一步探索，其治療作用很大程度上歸因于外泌體內容物，如功能性細胞因子、miRNAs和蛋白質等，如何保存這些物質并將它們傳送到相應的靶點使其有效發揮作用是目前我們面臨的重大挑戰。此外，還需要隨訪性研究來觀察外泌體療法將帶來哪些問題，如何解決等。使得此類療法能夠成為治療心梗的一種有前景的實際應用手段。

1 Christoforou N，Gearhart JD.Stem cells and their potential in cell-based cardiac therapies〔J〕.Prog Cardiovasc Dis，2007；49(6)：396-413.

2 Xu Y，Meng H，Li C，etal.Umbilical cord-derived mesenchymal stem cells isolated by a novel explantation technique can differentiate into functional endothelial cells and promote revascularization〔J〕.Stem Cell Dev，2010；19(10)：1511-22.

3 Arslan F，Lai RC，Smeets MB，etal.Mesenchymal stem cell-derived exosomes increase ATP levels，decrease oxidative stress and activate PI3K/Akt pathway to enhance myocardial viability and prevent adverse remodeling after myocardial ischemia/reperfusion injury〔J〕.Stem Cell Res，2013；10(3)：301-12.

4 Malik ZA，Kott KS，Poe AJ，etal.Cardiac myocyte exosomes：stability，HSP60，and proteomics〔J〕.Am J Phy Heart Cir Phys，2013；304(7)：954-65.

5 Jenjaroenpun P,Kremenska Y,Nair VM,etal.Characterization of RNA in exosomes secreted by human breast cancer cell lines using next-generation sequencing〔J〕.Peer J，2013；1：e201.

6 Yu X，Huang C，Song B，etal.CD4(+)CD25(+) regulatory T cells-derived exosomes prolonged kidney allograft survival in a rat model〔J〕.Cell Immun，2013；285(1-2)：62-8.

7 Buschow SI，Balkom BWMV，Aalberts M，etal.MHC class Ⅱ-associated proteins in B-cell exosomes and potential functional implications for exosome biogenesis〔J〕.Immun Cell Biol，2010；88(8)：851-6.

8 Taverna S，Amodeo V，Saieva L，etal.Exosomal shuttling of miR-126 in endothelial cells modulates adhesive and migratory abilities of chronic myelogenous leukemia cells〔J〕.Mol Cancer，2014;13(1)：1-15.

9 Corrado C，Raimondo S，Saieva L，etal.Exosome-mediated crosstalk between chronic myelogenous leukemia cells and human bone marrow stromal cells triggers an Interleukin 8-dependent survival of leukemia cells〔J〕.Cancer Lett，2014;348(1-2)：71-6.

10 Das S，Halushka MK.Extracellular vesicle microRNA transfer in cardiovascular disease〔J〕.Cardiovasc Pathol，2015;24(4)：199-206.

11 Vlassov AV，Magdaleno S，Setterquist R，etal.Exosomes：current knowledge of their composition，biological functions，and diagnostic and therapeutic potentials〔J〕.Biochim Biophys Acta，2012;1820(7)：940-8.

12 Ostrowski M，Nbkrumeich C.Rab27a and Rab27b control different steps of the exosome secretion pathway〔J〕.Nat Cell Biol，2010;12(1)：1-13.

13 L?tvall J，Rajendran L，Gho YS，etal.The launch of Journal of Extracellular Vesicles (JEV)，the official journal of the International Society for Extracellular Vesicles - about microvesicles，exosomes，ectosomes and other extracellular vesicles〔J〕.J Extracell Ves，2012;1(1)：55-72.

14 Emanueli C，Shearn AIU，Angelini GD，etal.Exosomes and exosomal miRNAs in cardiovascular protection and repair〔J〕.Vasc Pharmacol，2015;71：24-30.

15 Masamitsu K，Bachmann MH，Hardy JW，etal.Differential fates of biomolecules delivered to target cells via extracellular vesicles〔J〕.Proc Nat Acad Sci U S A，2015;112(12)：1433-42.

16 Wang M，Zhao C，Shi H，etal.Deregulated microRNAs in gastric cancer tissue-derived mesenchymal stem cells：novel biomarkers and a mechanism for gastric cancer〔J〕.Br J Cancer，2014;110(5)：1199-210.

17 Lee JK，Park SR，Jung BK，etal.Exosomes derived from mesenchymal stem cells suppress angiogenesis by down-regulating VEGF expression in breast cancer cells〔J〕.Cancer Res，2014;74(12)：170-0.

18 Hong-Chao Z，Xin-Bin L，Shu H，etal.Microvesicles derived from human umbilical cord mesenchymal stem cells stimulated by hypoxia promote angiogenesis both in vitro and in vivo〔J〕.Stem Cell Dev，2012;21(18)：3289-97.

19 Kuwabara Y，Ono K，Horie T，etal.Increased microRNA-1 and microRNA-133a levels in serum of patients with cardiovascular disease indicate myocardial damage〔J〕.Circ Cardiovasc Genet，2011;4(4)：446-54.

20 Sang-Ging O，Won Hee L，Mei H，etal.Response to letter regarding article，cross talk of combined gene and cell therapy in ischemic heart disease：role of exosomal microRNA transfer〔J〕.Circulation，2015;131(12):e385.

21 Aurora AB，Mahmoud AI，Xiang L，etal.MicroRNA-214 protects the mouse heart from ischemic injury by controlling Ca2+overload and cell death〔J〕.J Clin Invest，2012;122(4)：1222-32.

22 van Balkom BW，de Jong OG，Smits M，etal.Endothelial cells require miR-214 to secrete exosomes that suppress senescence and induce angiogenesis in human and mouse endothelial cells〔J〕.Blood，2013;121(19)：3997-4006.

23 Susmita S，Ekaterina K，Tina T，etal.Exosomes from human CD34(+) stem cells mediate their proangiogenic paracrine activity.〔J〕.Circ Res，2011;109(7)：724-8.

24 Gray WD，French KM，Shohini GC，etal.Identification of therapeutic covariant microRNA clusters in hypoxia-treated cardiac progenitor cell exosomes using systems biology〔J〕.Circ Res，2014;116(2)：255-63.

25 Feng YL，Wei H，Mashhood W，etal.Ischemic preconditioning potentiates the protective effect of stem cells through secretion of exosomes by targeting Mecp2 via miR-22〔J〕.PLoS One，2014;9(2)：e88685.

26 Lucio B，Vincenzo L，Elisabetta C，etal.Extracellular vesicles from human cardiac progenitor cells inhibit cardiomyocyte apoptosis and improve cardiac function after myocardial infarction.〔J〕.Cardiovasc Res，2014;103(4)：530-41.

27 Khan M，Nickoloff E，Abramova T，etal.Embryonic stem cell-derived exosomes promote endogenous repair mechanisms and enhance cardiac function following myocardial infarction.〔J〕.Circ Res，2015;117(1):52-64.

28 Sabin K，Nobuaki K.Microvesicles as mediators of tissue regeneration〔J〕.Transl Res J Lab Clin Med，2014;163(4)：286-95.

29 Bian S，Zhang L，Duan L，etal.Extracellular vesicles derived from human bone marrow mesenchymal stem cells promote angiogenesis in a rat myocardial infarction model〔J〕.J Mol Med，2014;92(4)：387-97.

30 Vrijsen KR，Sluijter JPG，Schuchardt MWL，etal.Cardiomyocyte progenitor cell-derived exosomes stimulate migration of endothelial cells〔J〕.J Cell Mol Med，2010;14(5)：1064-70.

31 Vergadi E.Exosomes mediate the cytoprotective action of mesenchymal stromal cells on hypoxia-induced pulmonary hypertension〔J〕.Circulation，2012;126(22)：2601-11.

32 Lina H，Wenya M，Yidi M，etal.Exosomes in mesenchymal stem cells，a new therapeutic strategy for cardiovascular diseases〔J〕?Int J Biol Sci，2015;11(2)：238-45.

33 Cheng Y，Wang X，Jian Y，etal.A translational study of urine miRNAs in acute myocardial infarction〔J〕.J Mol Cell Cardiol，2012;53(5)：668-76.

34 Lai RC，Arslan F，Lee MM，etal.Exosome secreted by MSC reduces myocardial ischemia/reperfusion injury〔J〕.Stem Cell Res，2010;4(3)：214-22.

35 Feng H，Mei-Ling L，Zhen-Fei F，etal.Overexpression of MicroRNA-1 improves the efficacy of mesenchymal stem cell transplantation after myocardial infarction〔J〕.Cardiology，2013;125(1)：18-30.

36 Zhao Y，Sun X，Cao W，etal.Exosomes derived from human umbilical cord mesenchymal stem cells relieve acute myocardial ischemic injury〔J〕.Stem Cell Int，2015;2015：1-12.

37 Ibrahim AG，Cheng K，Marbán E.Exosomes as critical agents of cardiac regeneration triggered by cell therapy〔J〕.Stem Cell Rep，2014;2(5)：606-19.

38 Vicencio JM，Yellon DM，Sivaraman V，etal.Plasma exosomes protect the myocardium from ischemia-reperfusion injury〔J〕.J Am Coll Cardiol，2015;65(15)：1525-36.

39 Yu B，Kim HW，Gong M，etal.Exosomes secreted from GATA-4 overexpressing mesenchymal stem cells serve as a reservoir of anti-apoptotic microRNAs for cardioprotection〔J〕.Int J Cardiol，2014;182C：349-60.

40 Kang K，Ma R，Cai W，etal.Exosomes Secreted from CXCR4 Overexpressing mesenchymal stem cells promote cardioprotection via akt signaling pathway following myocardial infarction〔J〕.Stem Cell Int，2014;(15)：1-14.

〔2016-02-10修回〕

(編輯 曲 莉)

國家自然科學基金(81550036);國家自然科學基金青年基金(81200983)

黃宇理(1972-)，女，副主任醫師，碩士生導師，主要從事冠心病心衰的研究。

李東戈(1988-)，男，在讀碩士，主要從事冠心病研究。

R363.2

A

1005-9202(2016)22-5744-04；

10.3969/j.issn.1005-9202.2016.22.117

1 華中科技大學