外泌體在肝癌中作用的研究進展

馮思嘉(綜述)　殷蓮華(審校)

(1復旦大學上海醫學院2013級臨床醫學八年制　上海　200032; 2復旦大學基礎醫學院生理與病理生理學系　上海　200032)

肝細胞癌(hepatocellular carcinoma,HCC)是成人原發性肝癌中最常見的類型,也是導致全球癌癥相關死亡的首要原因之一[1]。盡管一定條件下手術切除可以治療肝癌,但由于缺乏早期檢測和診斷的有效工具,很多晚期肝癌患者難以實施手術。因此需要找到敏感而特異的肝癌生物標志物用于肝癌的早期檢測[2]。越來越多的研究表明,外泌體(exosome)miRNA在肝癌發生中有異常表達,其功能和機制復雜,對肝癌的診治具有重要意義。

胞外囊泡胞外囊泡(extracellular vesicles,EVs)最初被視為實驗制備血小板過程中的污染物,因此被稱為“血小板灰塵”[3],是從各類正常或病變細胞釋放到組織間液中的膜性囊泡。細胞可以通過分泌EVs與鄰近或遠處的細胞進行信息傳遞。EVs具有脂質雙分子層膜結構,內含蛋白質、脂質及核酸等成分。根據亞細胞起源和囊泡大小可將EVs分成3種主要類型[4]:(1)在生理或者病理條件下,從細胞內多囊泡體中釋放出的外泌體(直徑30～100 nm);(2)在細胞應激進行胞吐時,從細胞質膜分離出的微泡(直徑100～1 000 nm);(3)在細胞凋亡時,從細胞質中釋放出的相對較大的凋亡小體(直徑>1 000 nm)。在EVs形成時,細胞中的多種蛋白質、脂質、RNA和DNA分子會選擇性地富集在這些囊泡中[1]。此外,EVs表面的信號分子能夠針對性地引導其到達靶細胞;一旦附著至靶細胞,EVs可以通過受體與配體的相互作用、內吞或吞噬作用與靶細胞膜融合,將內容物輸入靶細胞中來改變其生物學功能和狀態。

外泌體外泌體幾乎可由所有細胞經多囊泡體與質膜的融合而釋放[5]。主要特點如下:(1)攜帶一系列信號分子,如細胞來源的表面受體、蛋白質(如膜蛋白、胞質蛋白及核蛋白等)、核糖核酸(主要為mRNA和miRNA)和脂質;(2)在不同體液(如尿液、羊水、腹水、唾液和血液等)中可以檢測到不同類型的外泌體,并能通過不同方式將其從體液中分離出來;(3)可以通過生物屏障,將各類信號分子及功能性生物分子通過受體和配體間的相互作用或內化作用傳遞給靶細胞[6],并因攜帶的內含物不同而發揮不同的生物學功能(如腫瘤細胞來源的外泌體能夠介導血管再生、腫瘤細胞增殖及免疫逃逸;樹突狀細胞來源的外泌體能夠引起機體有效的抗腫瘤免疫應答等);(4)外泌體對細胞內核酸酶具有抵抗力,且在不同儲存條件下具有高度穩定性,能保護自身不被破壞和降解[7]。外泌體miRNA在腫瘤中的作用為尋找腫瘤的理想生物標志物提供了新的可能[8]。

外泌體miRNA的多重生物學功能目前對于外泌體的功能尚無明確定論。Takahashi等[9]發現,腫瘤細胞產生的外泌體對靶細胞具有特殊效應,包括通過腫瘤細胞和靶細胞的表面受體與配體結合來激活靶細胞,并經水平傳遞的方式將具有生物學功能的分子轉運入靶細胞。Sohn等[10]的研究表明,外泌體具有多種生物學功能,如免疫應答、抗原提呈、細胞內信息交流及不同種類RNA的傳遞等。Chiba等[11]的研究顯示,大部分血清RNA富集在外泌體中,在體內循環的外泌體中所富集的miRNA在血液中相對穩定,能夠保護自身抵御血液中核酸酶等酶類的降解;同時,不同種類的外泌體RNA可以在細胞間來回穿梭、傳遞信息,并能調節靶細胞的基因表達。

外泌體miRNA在細胞間的交流具有多重潛在功能。例如,可用來檢測機體病理生理的改變、病變中的異常表現及多種疾病的診斷和預后等[5]。外泌體miRNA表達下調在腫瘤發生的機制中起著一定的作用[12]。正因外泌體及其內容物(以miRNA為主)能夠反映來源腫瘤細胞和正常細胞的差異,外泌體在腫瘤的臨床診斷中有很高的潛在價值[2,13]。在腫瘤高風險人群體內,檢測腫瘤細胞來源的外泌體及其miRNA水平可能成為具有臨床潛力和效用的嶄新生物學工具[3]。

外泌體對肝癌細胞的作用肝癌細胞所產生的外泌體中RNA和蛋白質與正常細胞來源的有明顯差異。這些外泌體可被其他細胞攝入和內化,并傳遞具有一定功能的基因[2]。類似于血清腫瘤標志物可用于肝癌的篩選,外泌體miRNA也可作為一項有價值的無創性生物標志物來區分肝臟炎癥的類型和等級,進而輔助肝癌的早期診斷。研究顯示,由于肝癌細胞中存在大量miRNA的變異,循環miRNA可能成為肝癌診斷的生物標志物[10,14]。

Wang等[8]對肝癌和慢性乙型肝炎患者血清外泌體miR-21表達的潛在臨床意義進行了研究,定量RT-PCR結果顯示,患者血清外泌體中miR-21的濃度遠高于全血清中的平均濃度。由此對血清外泌體中富集的miR-21進行檢測來篩選病變細胞,其靈敏度將高于對全血清中miR-21的檢測。

外泌體中miR-18a的過表達會引起肝細胞增生及雌激素α受體水平下降;miR-221可通過蛋白激酶信號的增強實現外泌體在肝內細胞間遷移,對DNA損傷誘導的miR-222進行異常調節,從而導致肝癌的發生;miR-101表達下調可抑制細胞凋亡,從而誘發肝癌;miR-122可抑制腫瘤發生并調節肝癌細胞的轉移;miR-195可抑制腫瘤發生并調節肝癌細胞的G1/S 細胞周期轉換[10]。

盡管癌基因和抑癌基因的遺傳與變異已被廣泛研究,但對于促進腫瘤發展的表觀遺傳學機制的研究卻不多[2]。Melo等[15]的研究表明,肝癌細胞可通過外泌體中miRNA的釋放,從表觀遺傳的層面調節癌變細胞生長相關基因的表達和細胞間信號的傳導。正因為外泌體對miRNA內容物有較強的選擇性,外泌體miRNA到達靶細胞后具有向有效細胞基因表達和細胞行為轉變的潛能[2,15]。Basu等[16]研究證實,外泌體miR-122可由人肝癌細胞Huh7分泌并傳遞給HepG2細胞,通過表達miR-122特有的低細胞周期蛋白G1,入侵HepG2細胞,抑制HepG2細胞的生長,加速其衰老。Lou等[17]發現,來源于脂肪間充質干細胞的外泌體也可將miR-122傳遞給HepG2 細胞,實現類似的細胞生長抑制效應,由此證明外泌體介導的細胞通訊還可以發生在不同來源的細胞中;研究還發現,外泌體在將miR-122傳遞給肝癌細胞時,還可以通過負調節miR-122的靶基因,提高肝癌細胞對化療藥物的敏感性。由此可見,外泌體miRNA在腫瘤浸潤、轉移和耐藥中發揮了重要作用。

在腫瘤細胞中,外泌體介導的細胞間信號傳導可能有促進腫瘤生長的作用。Takayuki等[2]研究證明,由于腫瘤細胞中存在特異miRNA的異常表達,具有調節多種癌基因和抑癌基因的能力,它可以利用自身miRNA介導的細胞間通訊來實現旁分泌或自分泌效應,從而促進腫瘤的發生發展[1,15]。

外泌體在肝癌轉移中的作用外泌體介導的miRNA轉運是肝癌細胞間溝通的重要機制。肝癌中一種獨特的細胞間機制可能造成癌癥的局部擴散、肝內轉移或多灶性增長[3,16]。Ayuko等[18]通過檢測腫瘤細胞來源的外泌體所攜帶的“腫瘤印記”,闡述其對腫瘤逃逸、腫瘤血管生成和腫瘤侵襲力的作用,表明腫瘤來源的外泌體可能對轉移性癌灶形成有輔助作用。

Huang等[19]已經確認一條通過跨膜蛋白VASN(一種在癌變細胞中高表達的功能性蛋白)調節腫瘤轉移的新途徑,能通過外泌體介導的轉運來影響內皮細胞的生物學功能。VASN陽性的外泌體能夠提供由原發腫瘤細胞向周圍細胞轉移的信號,并作為肝癌發展過程中的信號載體介導細胞間通訊,這種由外泌體介導的腫瘤轉移因子的轉運,是誘導細胞遷移到癌旁組織的途徑之一。與之類似的是,轉移的腫瘤細胞在“出發”前會先行釋放出外泌體。當這些外泌體到達預期轉移的器官并被靶細胞攝取后,其內含物可以改變靶細胞的狀態,從而營造一個適合轉移而來的腫瘤細胞生長的微環境。在上述過程中,外泌體表面的整合素種類決定著靶器官的特異性,整合素αvβ5在肝癌轉移中發揮作用[18]。

外泌體在肝癌復發中的作用Sugimachi等[7]的研究表明,外泌體中的功能性miRNA與肝硬化導致的肝癌復發有關。血清外泌體中特異的miRNA不僅可以作為肝癌診斷的生物標志物,還可以作為腫瘤復發的生物學功能分子。

外泌體miRNA的轉運在以外泌體為遺傳信息載體的癌癥研究中引起了廣泛關注。外泌體數據庫ExoCarta顯示,目前已確認2 838種來源于不同細胞類型和多種生物體的miRNA。其中,在肝硬化導致的腫瘤復發患者體內外泌體miR-718被顯著抑制,可用于肝癌復發的預測和靶向治療[7]。

外泌體在肝癌化學抗性和化療應激中的作用Conigliaro等[20]發現了外泌體的一種鮮為人知的作用,即linc-ROR通過外泌體轉運可作為細胞間通訊的媒介,應激細胞可發出“危險信號”給局部微環境中的其他細胞,以此進行細胞間聯合應激(共同激活生存旁路等)。上述機制可以使肝癌組織獲得化學抗性,引起化療失效[9,18]。Takahashi等[9]評估了外泌體信號傳遞在肝癌對TGFβ反應中的作用,并提出重點研究這些細胞間信號轉導的機制和媒介也許可以幫助增強肝癌細胞用于化療藥劑的敏感性和應答效果。該研究還證實,外泌體lncRNAs也參與了肝癌化療應激并具有一定功能作用。表達譜顯示腫瘤細胞來源的外泌體中富集著由2個不同細胞系所釋放的lncRNAs。其中,linc-VLDLR在惡性肝細胞中的表達明顯上調[21],它可由腫瘤細胞來源的外泌體轉運,并調節靶點肝癌細胞對化療的抗性。因此,lncRNA可以通過外泌體介導的細胞間信號轉導來調節細胞對不利環境的應激。這一新作用可為腫瘤的發生發展和抗逆特性提供新的見解,并為增強肝癌化療方案的治療功效提供新的機遇[20-21]。

結語綜上所述,不同細胞來源的外泌體具有不同的成分與功能,并受到細胞微環境的動態影響;對人體的生理與病理過程有重要作用,可作為疾病診斷的生物標志物。由于腫瘤細胞來源的外泌體對癌癥的發生、發展、轉移和復發有著復雜而重要的作用,故對肝癌患者體液中外泌體miRNA進行檢測和分析能夠為癌癥的早期診斷、治療效果評估和預后提供一定的參考和依據。未來研究應致力于外泌體的產生機制、外泌體miRNA選擇性富集的原理及外泌體在肝癌中特定信號的傳遞過程,以進一步獲得有關外泌體在肝癌中作用的新發現。

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