外泌體在心肌梗死中作用機制的研究進展

蔡珍，陳燦

(廣東醫科大學附屬第二醫院心血管內科，廣東 湛江 524000)

缺血性心臟病可影響全球約1.26億人，約占世界人口的1.72%[1]。全球每年約900萬人因缺血性心臟病死亡，同時缺血性心臟病的全球患病率也逐年升高[2]。預計到2030年，每10萬人中約有缺血性心臟病患者1 845例[3]。急性心肌梗死(acute myocardial infarction，AMI)是一種由缺血缺氧導致的嚴重心血管疾病。心肌細胞死亡后，導致心臟成纖維細胞增殖以及以膠原蛋白為主的細胞外基質增多，最終導致心肌纖維化形成[4]。心肌過度纖維化是 AMI患者不良心臟重構、心功能惡化和惡性心律失常發生的病理基礎，因此保護心肌細胞是維持心臟正常舒縮功能的基礎，對預防AMI并發癥具有重要意義。目前心肌梗死的治療策略主要包括冠狀動脈旁路移植術、溶栓治療、經皮冠狀動脈介入治療、傳統藥物治療以及生活方式干預等[5-6]。外泌體是一種由細胞分泌的囊泡，最初被認為是一種“無用”的物質，但隨著研究的進展，發現外泌體可通過其攜帶的生物活性物質在組織微環境之間傳遞細胞間信息，調節周圍微環境并靶向特定器官，從而發揮生物學功能[7-8]。此外，外泌體還可通過抑制心肌細胞凋亡、炎癥反應及心肌纖維化等減輕心肌損傷，因此可能成為心肌梗死治療的新靶點[9]。現就外泌體在心肌梗死中作用機制的研究進展予以綜述。

1 外泌體概述

1.1外泌體的來源及成分 外泌體是由細胞釋放的直徑為30～150 nm的脂質囊泡。外泌體的成分包含獨特的DNA、RNA、脂質和蛋白質[10-11]。不同來源的外泌體具有共同的蛋白成分，包括所有四跨膜蛋白(CD9、CD63、CD81、CD82)、脂筏標記蛋白、膜聯蛋白密切相關的膜融合蛋白以及介導多囊泡體產生的分子伴侶熱激蛋白(如熱激蛋白70、熱激蛋白90)[12]。在大多數體液(如尿液、母乳、腦脊液)中均可檢測到外泌體[13]。

1.2外泌體的生物發生與釋放過程 外泌體的發生始于胞吞作用，細胞膜內陷形成早期內體或晚期內體，這些內體逐漸形成多囊泡體或以囊泡的形式與質膜融合，釋放到細胞間隙中[14]。不同的內體分選復合物(內體分選復合物-0、內體分選復合物-Ⅰ、內體分選復合物-Ⅱ和內體分選復合物-Ⅲ)和相關的輔助蛋白在外泌體分泌過程中起關鍵作用[15]。外泌體的釋放和有效載荷受各種生理因素和細胞條件影響，包括氧化應激、細胞內鈣水平、缺氧等[16]。Liu等[17]通過比較常氧與缺氧狀態下內皮集落形成細胞產生的外泌體微RNA(microRNA，miRNA/miR)發現，缺氧條件下外泌體miRNA水平顯著改變是導致內皮集落形成細胞攜帶的外泌體保護作用減弱的原因。表明外泌體的生物發生與釋放過程復雜，不同的環境刺激不僅會影響外泌體的釋放，還會影響外泌體的組分，從而進一步影響外泌體的治療效果。

1.3外泌體的特性 外泌體具有低毒性、穩定性、生物相容性、通透性、低免疫原性以及易內化到受體細胞等生物物理特性，因此適合離體研究和操作，有利于心肌內或心肌與遠端組織的交流。外泌體還具有循環穩定性和生物屏障滲透能力，因此可作為藥物遞送的載體，增強對靶組織和器官的調節[18-19]。但目前的外泌體存在產量低、結構異質性和復雜性、外泌體分離和純化等問題，故其作為藥物載體的臨床轉化存在困難[20]。因此，如何提高外泌體的安全性以及規模化生產是目前亟須解決的問題。

1.4外泌體的功能 外泌體可將其攜帶的miRNA、蛋白質、脂質等生物分子轉移至遠處的受體細胞，并通過介導細胞間的通訊和信息傳遞改變受體細胞的功能。研究表明，外泌體可通過自分泌、旁分泌、內分泌等方式調控受體細胞的表型以及功能[21-23]。外泌體除可直接與受體細胞結合將其激活外，還可通過內吞作用將自身攜帶的生物分子轉移到受體細胞，改變受體細胞狀態，并產生相應的功能[24]。總之，外泌體攜帶的生物分子可作為通訊因子，參與細胞信號轉導，通過調節受體細胞的基因、代謝過程和細胞信號通路的重編程等而發揮作用。

2 外泌體在心肌梗死中的作用

2.1作為生物標志物 早期心肌梗死主要通過臨床表現、心電圖和肌鈣蛋白來診斷，對于已經患有冠心病的患者這些診斷方法則無法提供準確的依據。而外泌體攜帶的miRNA具有生物穩定性，可在各種體液中檢測到，并參與冠狀動脈疾病的病理生理過程，因此其可作為診斷早期心肌梗死的生物標志物[25]。研究發現，AMI和不穩定型心絞痛患者血清外泌體miR-126、第10號染色體缺失的磷酸酶及張力蛋白同源(phosphatase and tensin homologue deleted on chro-mosome ten，PTEN)基因的表達水平均顯著高于健康對照者，且AMI患者miR-126和PTEN的表達水平顯著高于不穩定型心絞痛者；受試者工作特征曲線和Gensini評分均表明，miR-126和PTEN可作為AMI的新型候選診斷生物標志物，且可能較肌鈣蛋白更具特異性[26]。Zhao等[27]應用miRNA微陣列比較心肌梗死患者與健康對照者外泌體miRNA的表達水平，結果發現，miR-183表達的變化最顯著，且其表達水平隨著心肌缺血損傷嚴重程度的增加而升高。以上研究表明，外泌體攜帶的miRNA是細胞內信號轉導器，可作為早期診斷心肌梗死并判斷患者預后的生物標志物。

2.2修復和保護缺血心肌 干細胞具有自我更新、向不同組織分化的潛能，干細胞移植治療是修復缺血心肌最具前景的治療方法。有證據表明，干細胞對心臟的保護作用主要通過旁分泌方式實現[28]。由于移植的干細胞在受損心肌組織中的滯留時間短且存在風險性較高等問題，其應用受到限制[29]。而干細胞來源的外泌體具有與移植干細胞相同的心肌修復功能，可將其攜帶的內容物作用于受損心肌細胞，并通過不同的機制在一定程度上修復和保護受損心肌[30]。研究證明，間充質干細胞(mesenchymal stem cell，MSC)在治療 AMI方面具有良好的應用前景[31]。而MSC治療AMI的機制與其釋放的外泌體攜帶的miRNA、蛋白質、脂質等密切相關[32]。Huang等[33]報道，人臍帶MSC分泌的外泌體通過減小AMI大鼠左心室收縮末期內徑和右心室舒張末期內徑、增加左心室射血分數和左心室短軸縮短率、顯著降低AMI大鼠的炎癥因子水平而發揮保護作用。Deng等[34]研究發現，脂肪干細胞衍生的外泌體通過在體內和體外抗凋亡、抑制心臟纖維化和炎癥反應，改善心肌梗死患者的心臟損害。以上研究表明，不同來源的干細胞通過產生富集心臟保護的蛋白質和miRNA的外泌體，修復和保護受損的心肌。但由于MSC外泌體的異質性，可能對靶細胞產生不同的影響。因此，為了確保治療的安全性，有必要研發靶向性強且無細胞毒性的外泌體。經過人工手段基因修飾、藥物或低氧預處理均可增強外泌體對心血管系統的保護作用。Sun等[35]通過觀察心肌梗死模型大鼠發現，與無基因修飾的外泌體相比，缺氧誘導因子-1α過表達的MSC來源的外泌體可通過促進新血管形成、抑制纖維化顯著改善大鼠心臟功能。Gray等[36]研究發現，低氧預處理小鼠心肌后，其心臟祖細胞來源的外泌體通過促進血管生成、減少纖維化顯著改善小鼠心臟功能。以上研究表明，經過預處理的外泌體其療效進一步增強，但安全性及具體作用機制仍有待進一步研究驗證。

2.3通過多種機制調控心肌梗死 心肌梗死的主要特征是心肌細胞進行性喪失，臨床上可出現白細胞計數升高，而過度炎癥可促進梗死面積增加和后期心臟重構，從而導致充血性心力衰竭。目前細胞移植已廣泛用于心肌梗死的治療，缺血微環境是影響細胞移植有效性的主要因素一。而外泌體能夠在靶細胞中產生類似細胞反應的無細胞成分，且其攜帶的RNA、蛋白質、脂質等生物活性分子可通過抗凋亡、增加心臟血管形成、抗心臟重構、抑制炎癥反應等減少心肌梗死面積、改善心臟功能。

2.3.1調控細胞凋亡 Mao等[37]發現，人MSC來源的外泌體長鏈非編碼RNA Krüppel樣因子3反義RNA1可通過miR-138-5p-沉默信息調節因子1軸抑制細胞凋亡并減緩心肌梗死進程。Zhang等[38]發現，缺氧預處理骨髓MSC來源的外泌體，可顯著上調AMI大鼠的miR-24水平，下調B細胞淋巴瘤/白血病-2相關X蛋白、胱天蛋白酶3以及胱天蛋白酶3相關凋亡蛋白的表達。以上研究表明，外泌體在減少心肌細胞凋亡和改善心臟功能方面顯示出巨大的潛力。

2.3.2促進心臟血管生成 心臟血管生成是重建缺血性心肌側支循環的重要過程。研究表明，遠程缺血性調節衍生的外泌體可通過靶向熱激蛋白70上調與血管生成相關的分子(包括內皮型一氧化氮合酶、誘導型一氧化氮合酶、缺氧誘導因子-1α、血管緊張素1和血管內皮生長因子)的表達，加速血管生成，顯著改善心肌梗死患者的心功能[39]。心肌梗死患者血清外泌體miR-143可通過靶向胰島素樣生長因子1受體增加一氧化氮的產生，促進心臟血管生成[40]。由此可見，外泌體攜帶的生物分子可介導細胞間的通訊，并通過靶向受體細胞重新編程，上調促血管生成因子的表達，進而促進血管生成、保護缺血心肌。

2.3.3抗炎癥反應 心肌梗死常伴有炎癥反應，而過度炎癥反應或炎癥抑制不當均可影響心肌修復，導致心室重構、AMI患者的心功能惡化及心力衰竭的發展。作為細胞通訊的重要介質，外泌體在調節AMI后的炎癥反應中具有重要作用。研究發現，間充質基質細胞來源的外泌體可通過改變巨噬細胞表型、減輕促炎級聯反應、增強修復活性，減小心肌梗死面積[41]。Huang等[42]發現，將外泌體遞送至梗死的心臟可顯著降低炎癥細胞因子(如白細胞介素-6和腫瘤壞死因子-α)的表達，同時增加基質細胞衍生因子-1表達和血管生成。表明外泌體可直接靶向炎癥細胞或調節炎癥細胞因子而發揮作用，從而減輕心肌損傷。

2.3.4抑制心室重構 在病理性刺激下，心肌梗死可導致后期心室重構的發生，而心室重構的主要病理過程包括心肌細胞增厚、心室容積增大、心腔形狀改變，同時心功能由代償轉為失代償，若不能及時治療可發展為充血性心力衰竭。研究表明，骨髓MSC來源的外泌體miR-185可通過靶向細胞因子信號轉導抑制因子2下調其表達，從而抑制心肌梗死小鼠的心室重構[43]。Zheng等[44]報道，心力衰竭患者血清外泌體攜帶的miR-425和miR-744可通過靶向轉化生長因子-β抑制血管緊張素誘導的膠原和纖維合成，從而抑制心肌重構。以上研究表明，外泌體攜帶的miRNA有望成為逆轉心肌重構的治療靶點。

3 外泌體在心肌梗死中發揮“雙刃劍”作用

大多數細胞可分泌外泌體，在不同的刺激和生理環境下，外泌體攜帶的miRNA、蛋白質等生物分子對心肌梗死的作用也不同。Yu等[45]研究發現，缺氧時心肌細胞可以分泌富含高水平腫瘤壞死因子-α的外泌體，而腫瘤壞死因子-α過表達會損害冠狀動脈的內皮功能。研究證實，在心肌缺血再灌注時，心肌成纖維細胞通過分泌富含miR-423-3p的外泌體參與心臟的保護[46]。以上研究表明，外泌體在心肌梗死中具有兩方面作用：①通過傳遞保護性的miRNA或蛋白促進心肌修復微環境的產生；②產生促炎生物分子，在心肌梗死微環境中影響心臟血管生成和修復。據報道，缺氧處理的骨髓MSC衍生的外泌體miR-210可通過靶向下游線粒體凋亡誘導因子3，調節磷脂酰肌醇-3-激酶/蛋白激酶B和p53的信號轉導、降低相關凋亡蛋白水平，從而減輕心肌梗死后心臟細胞凋亡[47]。但外泌體也可能產生有害作用。如M1型巨噬細胞來源的外泌體miR-155在心肌梗死微環境下作用于血管內皮細胞，通過抑制內皮細胞增殖、遷移和血管生成，抑制損傷心肌的修復、促使心臟重構[48]。表明外泌體可能只是一個載體，其作用主要由內容物決定，而心肌梗死修復的方向與機制則取決于外泌體內容物成分和含量的變化。

4 小 結

外泌體可作為細胞間物質和信息交流的重要載體，通過不同的信號通路促進梗死心肌的修復。而外泌體中差異表達的miRNA和蛋白質分子可作為早期預測或診斷心肌梗死的靶分子，但其差異表達的生物活性分子的安全性以及作用機制仍需要大量臨床研究進一步驗證。雖然干細胞來源的外泌體攜帶的miRNA、蛋白質等生物分子具有心臟保護作用，但仍有許多問題需要解決：①目前仍缺乏高通量收集并純化外泌體以及富集和靶向心肌保護作用的分子技術；②與干細胞移植相比，外泌體不進行自我增殖，因此不具有致瘤性，但其在治療過程中產生的不良反應目前仍不清楚，需要進一步研究。總之，未來仍需進一步闡明外泌體的作用機制，從而為心肌損傷修復提供有效治療選擇。