外泌體在各型糖尿病及其并發(fā)癥中作用的研究進(jìn)展

呂佳蓉 麥一峰

糖尿病是一種常見的慢性代謝性疾病，據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2017年全世界約有4.51億患者，到2045年，患者的人數(shù)可能會(huì)上升到6.93億[1]。糖尿病的顯著特點(diǎn)是由于胰島素產(chǎn)生不足或胰島素抵抗導(dǎo)致血糖升高。長(zhǎng)期高血糖不但會(huì)引起糖尿病視網(wǎng)膜病變、糖尿病腎病以及糖尿病周圍神經(jīng)病變等各種并發(fā)癥的發(fā)生，而且也是冠狀動(dòng)脈粥樣硬化的獨(dú)立危險(xiǎn)因素。有研究報(bào)道糖尿病還會(huì)增加多種惡性腫瘤的發(fā)病風(fēng)險(xiǎn)[2]。因此，糖尿病的流行已成為全球人類健康的一大危機(jī)。近幾年，關(guān)于外泌體的研究越來越廣泛，涉及外泌體的論文數(shù)量呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。外泌體是一類由各種細(xì)胞分泌的納米級(jí)的細(xì)胞外囊泡，它通過攜帶脂質(zhì)、核酸等特異性物質(zhì)進(jìn)行細(xì)胞與細(xì)胞間的信號(hào)傳導(dǎo)，參與了多種疾病的發(fā)生、發(fā)展，有可能成為一種新的生物標(biāo)志物。Diamant等[3]發(fā)現(xiàn)在2型糖尿病（T2DM）患者血漿中微小囊泡較正常人有所增加，揭示了外泌體可能參與了糖尿病的發(fā)生。筆者通過收集近年來關(guān)于外泌體和糖尿病的相關(guān)文獻(xiàn)，就外泌體在各型糖尿病及其并發(fā)癥發(fā)生、發(fā)展中的作用作一綜述，旨在為糖尿病的早期診斷和治療提供新的方向。

1 外泌體概述

細(xì)胞膜上生物物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)是細(xì)胞維持自身內(nèi)環(huán)境平衡的重要步驟，細(xì)胞通過胞外膜小泡（EVs）釋放分子，進(jìn)行細(xì)胞間信號(hào)傳導(dǎo)、細(xì)胞分化、炎癥和免疫反應(yīng)等多種生理功能。EVs不僅存在于人體中，在細(xì)菌、植物中也曾發(fā)現(xiàn)它們的存在[4]。這些小泡在過去被命名為內(nèi)泌體、脫落小泡、微粒等，然而外泌體這一術(shù)語是由Trams等[5]在研究正常和腫瘤細(xì)胞系脫落囊泡時(shí)首次提出的。外泌體的直徑范圍約30～150 nm[6]。外泌體的發(fā)生始于質(zhì)膜的向內(nèi)出芽，隨之形成含有膜蛋白的早期內(nèi)吞體，隨著內(nèi)吞體的內(nèi)陷和特定蛋白質(zhì)、RNA的封閉，進(jìn)一步產(chǎn)生多泡體，隨后這些多泡體與質(zhì)膜融合形成外泌體并釋放到細(xì)胞外[7]。外泌體通過攜帶各種生物分子，介導(dǎo)自身及遠(yuǎn)處細(xì)胞間的信息交流，最終完成生理和病理過程。此外，由于有脂質(zhì)雙層結(jié)構(gòu)的保護(hù)，外泌體能穩(wěn)定存在于各種生物液體（例如血液、尿液、唾液和細(xì)胞培養(yǎng)基）中而不被降解[7]。

2 外泌體參與各型糖尿病的發(fā)生、發(fā)展

2.1 外泌體與1型糖尿病（T1DM） T1DM是一種自身免疫性疾病，其特征是存在循環(huán)的自身抗體、胰島的淋巴細(xì)胞浸潤(rùn)以及β細(xì)胞的特異性破壞，最終導(dǎo)致胰島素缺乏。目前，已有多項(xiàng)研究結(jié)果表明外泌體在T1DM的發(fā)生過程中起關(guān)鍵作用，作用機(jī)制見圖1。有學(xué)者發(fā)現(xiàn)大鼠和人類的胰島能釋放出富含β細(xì)胞自身抗原（如谷氨酸脫羧酶65抗體、胰島抗原2抗體和胰島素原）的外泌體，這些被釋放出來的外泌體可以被樹突狀細(xì)胞攝取并使其激活，產(chǎn)生細(xì)胞因子，而高水平的細(xì)胞因子可誘導(dǎo)β細(xì)胞的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)發(fā)生應(yīng)激，導(dǎo)致外泌體進(jìn)一步分泌增加，從而產(chǎn)生惡性循環(huán)[8]。Tang等[9]和Zhu等[10]發(fā)現(xiàn)高濃度的細(xì)胞因子可促進(jìn)大鼠β細(xì)胞瘤細(xì)胞的凋亡，而低濃度的細(xì)胞因子可刺激大鼠β細(xì)胞瘤細(xì)胞釋放富含中性神經(jīng)酰胺酶的外泌體，其可保護(hù)β細(xì)胞免受高劑量細(xì)胞因子或高濃度游離脂肪酸誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡。此外，有學(xué)者發(fā)現(xiàn)胰島素瘤細(xì)胞釋放的外泌體可刺激非肥胖糖尿病（NOD）小鼠的自身免疫反應(yīng)，同時(shí)他們發(fā)現(xiàn)NOD小鼠胰島中的間充質(zhì)干細(xì)胞可釋放免疫刺激性外泌體，從而激活NOD小鼠自身反應(yīng)性B細(xì)胞和T細(xì)胞。同時(shí)，他們還發(fā)現(xiàn)血清中外泌體的水平和外泌體誘導(dǎo)產(chǎn)生的干擾素-γ與早期糖尿病進(jìn)展呈正相關(guān)[11]。T細(xì)胞產(chǎn)生的富含 miRNA-142-3p、miR142-5p和miR-155的外泌體活化后可促進(jìn)β細(xì)胞凋亡，但是通過滅活這些外泌體可緩解NOD小鼠糖尿病的發(fā)展。此外，有學(xué)者發(fā)現(xiàn)T淋巴細(xì)胞分泌的外泌體不僅在β細(xì)胞中觸發(fā)細(xì)胞凋亡，同時(shí)還可以促進(jìn)趨化因子（趨化因子-2、趨化因子-7和趨化因子-10）信號(hào)傳導(dǎo)基因的表達(dá)[12]。

圖1 外泌體在1型糖尿病中的作用過程

2.2 外泌體與T2DM T2DM與肥胖密切相關(guān)，以胰島素抵抗為主要特征。脂肪組織被認(rèn)為是一種動(dòng)態(tài)的內(nèi)分泌器官，它可以通過釋放多種調(diào)節(jié)糖和脂代謝的激素來調(diào)節(jié)全身能量代謝平衡。此外，脂肪組織也是循環(huán)外泌體miRNA的重要來源，它可以調(diào)節(jié)遠(yuǎn)處組織中基因的表達(dá)。研究發(fā)現(xiàn)脂肪組織特異性敲除miRNA加工酶Dicer（ADicerKO）的小鼠模型中，循環(huán)外泌體miRNA以及組織中的成熟miRNA的表達(dá)水平顯著下降[13]；同時(shí)，有研究發(fā)現(xiàn)這些模型小鼠表現(xiàn)出嚴(yán)重的胰島素抵抗[14]。然而，白色和棕色脂肪組織的移植可恢復(fù)許多循環(huán)外泌體miRNA的表達(dá)水平（尤其是在ADicer KO小鼠中）從而改善糖耐量。這可能與肝臟成纖維細(xì)胞因子-21和循環(huán)成纖維細(xì)胞因子-21水平的降低有關(guān)[13]。Mori等[15]發(fā)現(xiàn)隨著年齡的增長(zhǎng)，脂肪組織的Dicer表達(dá)水平隨之降低，ADicer KO使小鼠對(duì)氧化應(yīng)激反應(yīng)過敏。因此，調(diào)控脂肪組織中外泌體miRNA的表達(dá)在機(jī)體對(duì)環(huán)境變化的反應(yīng)能力上起著重要作用，可能直接導(dǎo)致老年人糖尿病等代謝性疾病的發(fā)病率增加。近年來，有學(xué)者發(fā)現(xiàn)脂肪細(xì)胞產(chǎn)生的外泌體可將單核細(xì)胞誘導(dǎo)分化成巨噬細(xì)胞，然后巨噬細(xì)胞干擾人脂肪細(xì)胞中的胰島素信號(hào)傳導(dǎo)，最終導(dǎo)致胰島素抵抗[16]。同時(shí)，Song等[17]發(fā)現(xiàn)脂肪組織衍生的攜帶有音猬因子的外泌體可以誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞向M1極化。降低脂肪細(xì)胞中的胰島素抵抗底物-1和激素敏感性脂肪酶的表達(dá)可以促成脂肪細(xì)胞的胰島素抵抗。此外，Ying等[18]發(fā)現(xiàn)給正常小鼠注射肥胖小鼠的脂肪組織巨噬細(xì)胞（ATMs）分泌的外泌體后，正常小鼠會(huì)發(fā)生胰島素抵抗；而給肥胖小鼠注射正常小鼠ATMs分泌的外泌體后，肥胖小鼠的胰島素抵抗能得到改善，提示ATMs分泌的外泌體參與了靶細(xì)胞的血糖不耐受和胰島素抵抗過程。

2.3 外泌體與妊娠期糖尿病（GDM） GDM是妊娠期間最常見的代謝物紊亂，其病因復(fù)雜，涉及遺傳、環(huán)境等多種因素。與T2DM一樣，隨著肥胖癥的流行，GDM的發(fā)病率日益增加。雖然大多數(shù)GDM在分娩后大多能恢復(fù)正常，但懷孕期間的代謝異常仍然會(huì)給母體帶來嚴(yán)重的健康風(fēng)險(xiǎn)。研究表明患有GDM的母體在分娩過后患T2DM的風(fēng)險(xiǎn)較正常人增加[19]。此外，研究還發(fā)現(xiàn)將發(fā)育中的胚胎暴露于受干擾的代謝環(huán)境可能會(huì)改變生殖細(xì)胞的表觀遺傳譜，從而影響下一代，提示GDM可能會(huì)使后代患肥胖及糖尿病的風(fēng)險(xiǎn)增加[20]。Liu等[21]發(fā)現(xiàn)GDM孕婦血漿中的外泌體水平顯著高于對(duì)照組，這些外泌體可促進(jìn)內(nèi)皮細(xì)胞釋放炎性細(xì)胞因子，但是外泌體在GDM發(fā)展中的具體作用機(jī)制尚不明確。除此之外，GDM與胎兒胎盤內(nèi)皮細(xì)胞功能障礙有關(guān)。Saez等[22]發(fā)現(xiàn)在高濃度高葡萄糖環(huán)境中的人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞會(huì)產(chǎn)生更多的外泌體，這些外泌體可以增加一氧化氮合酶、人陽離子氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白、血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子、細(xì)胞內(nèi)黏附分子的表達(dá)，導(dǎo)致內(nèi)皮細(xì)胞功能障礙，但目前具體機(jī)制尚未完全闡明。Nair等[23]在研究正常葡萄糖耐量妊娠女性和GDM女性時(shí)發(fā)現(xiàn)，從GDM妊娠女性絨毛膜絨毛外植體中分離的外泌體能降低骨骼肌細(xì)胞的胰島素敏感性以及其攝取葡萄糖的能力。

3 外泌體與糖尿病并發(fā)癥

3.1 外泌體與糖尿病腎病（DN） DN是一種嚴(yán)重的糖尿病微血管并發(fā)癥，是全球終末期腎病的主要原因。DN的臨床特征是蛋白尿，其最終的病理表現(xiàn)是腎纖維化。腎小球內(nèi)皮細(xì)胞（GEC）、腎小球系膜細(xì)胞（GMC）以及足細(xì)胞之間異常的相互作用被認(rèn)為在DN的發(fā)病機(jī)制中起關(guān)鍵作用[24-26]。Wu等[24]發(fā)現(xiàn)在高糖環(huán)境中，GEC會(huì)發(fā)生內(nèi)皮-間充質(zhì)轉(zhuǎn)化（EMT），而EMT的腎小球內(nèi)皮細(xì)胞會(huì)分泌富含轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β1（TGF-β1）mRNA 的外泌體，這些外泌體可以被足細(xì)胞攝取導(dǎo)致足細(xì)胞EMT及屏障功能受損，足細(xì)胞的EMT過程可能涉及經(jīng)典的Wnt/β-連環(huán)蛋白信號(hào)傳導(dǎo)途徑。同時(shí)，這些外泌體還可以作用于GMC，通過TGF-β1/Smad3信號(hào)通路促進(jìn)GMC中的α-平滑肌肌動(dòng)蛋白表達(dá)，系膜細(xì)胞增殖以及胞外基質(zhì)蛋白過量產(chǎn)生，最終導(dǎo)致腎纖維化[25]。總而言之，GEC、GMC、足細(xì)胞之間通過外泌體進(jìn)行旁分泌相互作用可促進(jìn)DN的發(fā)生、發(fā)展。

3.2 外泌體與糖尿病性大血管病變 糖尿病性大血管病變是指主動(dòng)脈、冠狀動(dòng)脈、腎動(dòng)脈等大血管發(fā)生動(dòng)脈粥樣硬化，其是糖尿病患者的主要死因。與正常人群相比，糖尿病患者動(dòng)脈粥樣硬化的發(fā)病率更高、發(fā)病年齡更輕、病情更重、病死率更高。內(nèi)皮細(xì)胞功能障礙在糖尿病血管病變的發(fā)展中起著至關(guān)重要的作用，但其機(jī)制尚不完全清楚。有研究報(bào)道顯示從糖尿病患者或肥胖型糖尿病小鼠的血漿中分離的富含精氨酸酶-1的外泌體，可以從體外和體內(nèi)兩種途徑轉(zhuǎn)移至內(nèi)皮細(xì)胞，通過減少內(nèi)皮細(xì)胞NO的產(chǎn)生，從而導(dǎo)致血管功能障礙[27]。同時(shí)，也有學(xué)者發(fā)現(xiàn)富含miRNA-155的外泌體可以從平滑肌細(xì)胞向內(nèi)皮細(xì)胞轉(zhuǎn)移，破壞細(xì)胞間的緊密連接和內(nèi)皮細(xì)胞屏障的完整性，最終導(dǎo)致內(nèi)皮細(xì)胞通透性增加，從而促進(jìn)動(dòng)脈粥樣硬化的進(jìn)展[28]。這些都提示了外泌體可能參與內(nèi)皮細(xì)胞的損傷過程，促進(jìn)了糖尿病性大血管病變的發(fā)生與發(fā)展。

3.3 外泌體與糖尿病性視網(wǎng)膜病變（DR） DR是糖尿病主要的常見并發(fā)癥，它也是全球中青年人群視力下降和失明的主要原因。對(duì)DR的發(fā)病機(jī)制的研究雖已有很多，但其最根本的發(fā)病機(jī)制尚不明確。目前大家普遍認(rèn)為DR的發(fā)生與視網(wǎng)膜細(xì)胞變性（包括視網(wǎng)膜細(xì)胞凋亡、膠質(zhì)細(xì)胞功能障礙）和視網(wǎng)膜微血管功能障礙（視網(wǎng)膜無血流灌注、血管通透性改變和視網(wǎng)膜新生血管形成）有關(guān)[29]。Kamalden等[30]發(fā)現(xiàn)在高濃度葡萄糖培養(yǎng)基中培養(yǎng)的大鼠胰腺β細(xì)胞會(huì)分泌富含miRNA-15a的外泌體，這些外泌體進(jìn)入血液后能靶向作用于絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶-3，從而引起視網(wǎng)膜細(xì)胞氧化應(yīng)激，最終導(dǎo)致細(xì)胞凋亡；在糖尿病患者的血漿中，富含miRNA-15a的外泌體水平呈顯著增加，且與疾病的嚴(yán)重程度成正比。Huang等[31]發(fā)現(xiàn)糖尿病患者血漿中含有免疫球蛋白-G的外泌體是負(fù)責(zé)激活經(jīng)典補(bǔ)體途徑的重要部分，從而使促炎因子和趨化因子上調(diào)，最終導(dǎo)致視網(wǎng)膜血管損傷。而Hajrasouliha等[32]發(fā)現(xiàn)視網(wǎng)膜星形膠質(zhì)細(xì)胞分泌的外泌體具有抑制巨噬細(xì)胞的遷移和小鼠視網(wǎng)膜脈絡(luò)膜新生血管的形成。這提示抑制外泌體誘導(dǎo)的補(bǔ)體途徑以及促進(jìn)視網(wǎng)膜星形膠質(zhì)細(xì)胞分泌抗血管生成的外泌體可能可以阻止DR的發(fā)展進(jìn)程，為治療DR提供了新的途徑。

4 展望

糖尿病及其相關(guān)并發(fā)癥的治療對(duì)世界上所有國(guó)家來說都是一個(gè)巨大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。目前，最為普遍的糖尿病確診手段是測(cè)量血糖水平。但在其出現(xiàn)血糖升高之前，已有潛在的血管損傷及胰島素敏感性下降存在。近年來，隨著對(duì)外泌體研究的不斷深入，已有學(xué)者提出了將外泌體作為糖尿病早期診斷的一種新的生物標(biāo)志物。不僅如此，因外泌體可在細(xì)胞間傳遞生物活性分子從而影響靶細(xì)胞的胰島素敏感性，將外泌體作為治療劑和載體來增強(qiáng)β細(xì)胞增殖和修復(fù)也為糖尿病的治療提供了新的方向。雖然現(xiàn)在外泌體在糖尿病發(fā)生、發(fā)展中的機(jī)制還未完全清楚，但是隨著對(duì)外泌體和糖代謝功能障礙機(jī)制的深入研究，其定能在糖尿病的臨床應(yīng)用中發(fā)揮重要作用。