間充質干細胞外泌體
——新的心血管疾病治療策略

公緒合 綜述 李虹偉 審校

(首都醫科大學附屬北京友誼醫院心臟中心代謝紊亂相關心血管疾病北京市重點實驗室，北京100050)

心血管疾病在世界范圍內發病率高、死亡率高，隨著經皮冠脈介入術和冠狀動脈旁路移植術的發展，心肌梗死患者的生存有了大幅度改善。然而，這些幸存者中大部分由于心肌細胞凋亡和心肌重構最終死于心力衰竭。心肌組織難以增殖和分化，目前心臟移植是終末期心力衰竭的最終治療選擇，但移植供體來源、倫理學限制等，使得心臟移植數目有限。因此，需要研究用于心肌梗死和心力衰竭新的治療方法，以改善這些患者的預后。

目前，許多學者研究了干細胞治療心肌梗死和缺血性心力衰竭的療效，尤其是間充質干細胞(mesenchymal stem cells，MSCs)在臨床研究中顯示了良好的安全性和有效性。最早的基礎研究表明，MSCs有分化為多種類型細胞，包括心肌細胞、血管內皮細胞和血管平滑肌細胞的潛力。然而，隨后的研究并沒有證實MSCs顯著的分化能力，大多數靜脈注射的干細胞在肺內潴留，而不是心臟；而且即使通過冠狀動脈移植干細胞，移植14 d后僅僅有6%的細胞潴留在梗死區域。進一步研究顯示MSCs培養液上清能夠改善心臟功能，這說明干細胞移植改善心臟功能，不是通過心肌細胞分化，而是旁分泌作用。許多干細胞旁分泌因子直接修復再生心肌組織，為未來無細胞治療提供了一種選擇，外泌體(exosome)作為干細胞旁分泌的集合體，在旁分泌治療心血管疾病中被廣泛研究?，F綜述外泌體在心血管疾病治療中的作用和研究進展。

1 外泌體概述

外泌體是從細胞中釋放的直徑30～100 nm的小囊泡，是個復雜的集合體，包括多種細胞因子、蛋白質、脂質、mRNAs、miRNAs和核糖體RNAs等[1]。最早由Johnstone等研究者在研究網織紅細胞向成熟紅細胞的轉變過程中發現，后來研究發現各種細胞包括T細胞、B細胞、網織紅細胞、肥大細胞和腫瘤細胞均可產生外泌體。比如從慢性粒細胞白血病細胞分泌的miR-126可以進入內皮細胞，調控細胞黏附和遷移。

外泌體被認為是細胞間的中樞介質，將蛋白質、mRNAs和miRNAs等轉移到鄰近細胞，從而在生物體中發揮調控作用。同樣，MSCs可以合成和分泌富含高磷脂的功能性外泌體，比如脂肪MSCs分泌的外泌體可以調節MSCs的血管生成潛能[2]。此外，注射骨髓MSCs外泌體至腦梗死大鼠能夠促進梗死病灶區血管和神經生長。在心血管研究領域，干細胞外泌體的治療作用更是得到了高度認可，下面將從不同的角度闡述干細胞外泌體與心血管疾病研究。

2 外泌體對心血管系統作用

2.1 抗凋亡作用

心肌梗死由于冠狀動脈血管狹窄、堵塞，心肌供血不足，發生進行性心肌細胞凋亡和丟失，最終引起心力衰竭，由于心肌細胞難以再生，使得修復梗死心肌成為治療難點。MSCs的出現為修復心肌細胞提供了治療方法，其作用不是直接分化為心肌細胞，而是旁分泌作用能夠抗心肌細胞凋亡[3-4]。

最近的研究報道，骨髓MSCs延緩缺血性心肌細胞損傷，外泌體靶向轉移miR-22結合甲基CpG結合蛋白2以抑制心肌細胞凋亡。外泌體miR-221通過抑制p53表達，上調凋亡蛋白Bcl-2，介導骨髓MSCs的抗凋亡作用。p53介導凋亡與Bcl-xL和p53相互作用，激活促凋亡蛋白而抑制抗凋亡蛋白，而MSCs外泌體通過miR-221抑制p53介導的凋亡，能夠促進心肌細胞生存[5]。既往細胞實驗使用MSCs條件培養基處理缺氧無血清的h9c2心肌細胞，結果同樣顯示MSCs條件培養基能夠抗缺氧誘導h9c2心肌細胞凋亡，而外泌體就存在于條件培養基中。綜上研究表明，外泌體參與了抗心肌細胞凋亡的過程。

2.2 抗炎癥作用

眾所周知，樹突狀細胞和腫瘤細胞的外泌體均參與抑制炎癥反應的過程，被認為是治療某些疾病的新方法[6]。同樣，一些研究也證明來源于骨髓的MSCs外泌體在心血管疾病治療中有類似作用，比如MSCs外泌體抑制炎癥來減輕肺動脈高壓[7]。同樣，在缺血再灌注心肌損傷研究中，MSCs外泌體也可以減少梗死面積，改善心臟功能[8]。在心力衰竭研究中，白介素-1β在誘發心力衰竭發病中起重要作用，而MSCs能夠分泌高水平的白介素-1受體拮抗劑，從而調控心力衰竭的發生[9]。這些研究揭示了在心血管疾病中，MSCs外泌體通過抑制炎癥反應發揮心肌保護作用。

2.3 抗心肌重構

心肌重構是各種心血管疾病的代償方式，比如最常見的心力衰竭后心臟擴大和心肌纖維化，往往缺乏有效的治療方法[10]。自體MSCs移植能夠減少心肌梗死面積、改善心肌重構[11]，從而進一步提高心臟功能。

心肌重構在動物實驗中往往采用左心室大小、心肌纖維化、心肌細胞凋亡等指標，研究發現骨髓MSCs外泌體通過激活促存活信號，減少氧化應激來增強心肌細胞活力，防止心肌缺血再灌注損傷后的不利重構。在MSCs治療心力衰竭的臨床研究中，干細胞主要通過旁分泌作用促進內源性心臟修復，改善心肌重構[12]。前期對轉基因擴張型心肌病心力衰竭小鼠進行MSCs治療，發現干細胞移植組小鼠高表達血管內皮生長因子和胰島素樣生長因子-1，這也證實了旁分泌作用在改善心肌重構中的關鍵作用[13]。雖然MSCs外泌體抗心肌重構的作用是明確的，但是其具體機制仍然不清楚，需要進一步的基礎研究證實。

2.4 促進血管新生

心力衰竭時，各種病理微環境下誘導心肌細胞壞死和凋亡，相應的藥物治療、手術治療、介入治療方法有限。MSCs和心臟干細胞分化促進血管新生成為新的治療方法，心臟前體細胞釋放外泌體能夠誘導心肌細胞再生和促進內皮細胞遷移、誘導血管新生[14]。其中MSCs和心臟干細胞聯合應用比單一MSCs更加能夠減少心肌梗死面積，改善心功能[15]。血管新生成為干細胞外泌體治療心血管疾病的研究靶點。然而對于促進細胞新生在傳導系統、心房肌、心室肌之間的變化差別無相關的研究，這將是一個新的研究方向。

3 外泌體與心血管疾病

3.1 心肌梗死

心肌梗死是心臟冠狀動脈血管的急性或慢性堵塞，引起心肌細胞凋亡、壞死。干細胞治療心肌梗死研究最多、最充分，MSCs移植到梗死心肌能夠改善心功能，這與MSCs修飾上調miR-1、促進MSCs生存和分化為心肌細胞有關。在心肌缺血微環境下，有趣的是MSCs外泌體包括上調的miR-22，可靶向結合甲基CpG結合蛋白2以抗心肌細胞凋亡。再者，外泌體同樣可以抗心肌纖維化，這些意味著心肌梗死時干細胞外泌體發揮了心臟保護作用[4]。同時認為存在一個外泌體調節系統，能夠促進保護因子、蛋白向梗死組織遷移，發揮保護作用，促進心肌細胞及血管新生修復[16]。

目前，干細胞外泌體治療心肌梗死的研究往往在動物實驗中進行，心肌梗死后外泌體治療時間從心肌梗死后即刻至1周內均有相關的研究，最終改善心臟功能的機制與旁分泌作用相關，主要是外泌體改善了心肌梗死微環境，通過促血管新生、抗凋亡等機制改善心肌重構，提高心臟功能。

3.2 缺血再灌注損傷

大量研究證實缺血再灌注損傷時，由于過多自由基產生，導致不可逆的結構損傷和器官功能障礙[17]；盡管維生素E和類似物作為抗氧化劑，能夠抗缺血再灌注損傷，但其作用有限，很少在臨床應用。MSCs能夠促進血管新生，減少梗死面積，改善左心功能，作為治療缺血再灌注的新方法，在缺血再灌注之前5 min至再灌注后1周內使用，結果顯示MSCs分泌外泌體能夠減少氧耗應激，提高ATP、NADH，控制炎癥，激活PI3K/Akt通路[8]，從而保護心肌細胞生存，改善左心功能，這些均提示外泌體可作為缺血再灌注損傷的治療方法。

3.3 肺動脈高壓

肺動脈高壓是一種肺血管壓力增高的疾病，引起右心衰竭甚至死亡。缺氧引起的肺部炎癥和高氧所致肺發育不良可能是肺動脈高壓的機制。研究發現MSCs比目前臨床應用的藥物更加能夠改善肺動脈高壓的預后，并且在肺動脈高壓的大鼠實驗中得到反復驗證，揭示了其作用機制：減少肺血管重構和炎癥，促進血管生成，改善肺毛細血管的通透性[18]。

肺動脈高壓后的肺血管重構與缺氧誘發的肺部炎癥密切相關。MSCs外泌體能夠抑制缺氧信號通路的激活，平衡靶向Th1/Th2及下調增殖的miR-17(miR-17能夠升高右心室收縮壓，促進右心室肥厚)，最終抑制肺動脈高壓。另外，外泌體干擾信號傳導及轉錄激活因子3(STAT3)-miR204-STAT3反饋系統，改善血管重構。上述研究結果證明干細胞外泌體通過抑制早期肺部炎癥反應和改善血管重構來抗肺動脈高壓。

4 外泌體治療心血管疾病的未來和挑戰

自從發現外泌體后，外泌體治療心血管疾病引起了人們的廣泛關注，MSCs外泌體在治療心血管疾病包括心肌梗死、肺動脈高壓、缺血再灌注損害中發揮重要作用，機制涉及到抗心肌細胞凋亡、促進再生修復等，其中深入的機制需要進一步的研究。

與傳統的干細胞移植比較，外泌體治療具有更小的創傷，減少了異常分化的可能性(比如干細胞分化為骨、脂肪，甚至腫瘤)。因此，體外純化的外泌體移植比單純干細胞移植更加具有吸引力，外泌體的作用更多歸功于miRNA、蛋白、功能性細胞因子。然而如何保證這些有益的細胞因子、蛋白、miRNA定向向損傷組織歸巢是目前的巨大挑戰，也是未來研究外泌體的關鍵。隨著MSCs外泌體的產生、機制及作用的研究，干細胞外泌體必將成為有前景的治療心血管疾病的策略。