外泌體對神經系統疾病的作用研究進展

鐵 巖 李 瀟 楊鑫偉 許利平

神經系統疾病是一類臨床常見疾病，包括中樞神經系統疾病，如阿爾茲海默癥(Alzheimer′s disease, AD)，帕金森綜合征(Parkinson′s disease, PD)等，以及周圍神經疾病，如糖尿病周圍神經病變(diabetic peripheral neuropathy, DPN)等。這類疾病發病機制十分復雜，如AD的發病與Tau蛋白過度磷酸化、β-樣淀粉蛋白積累、神經遞質水平降低、炎癥損害神經元、晚期糖基化終產物與其受體相互作用密切相關[1]。PD的發病機制涉及多種途徑，包括細胞凋亡、自噬、氧化應激、炎癥、α-突觸核蛋白聚集和神經遞質變化等[2]。DPN的發生、發展主要與高血糖引起施萬細胞(Schwann cells，SCs)凋亡有關，病變機制主要涉及氧化應激、炎性反應、內質網應激、自噬和硝化等[3]。在治療上臨床多以對癥治療，但治療后神經功能并不能完全恢復，因此迫切需要尋找更有效且安全的治療方法。外泌體(exosomes, EXOs)是一類各種細胞均可分泌的具有雙層膜結構的囊泡樣物質。近年來，研究者發現EXOs可以在很多疾病中發揮作用，引起極大的關注，如癌癥、2型糖尿病、肥胖癥、類風濕性關節炎和神經退行性疾病等[4]。本文通過綜述近年來EXOs對神經系統疾病的研究現狀，為進一步深入研究其作用機制尋求更好的治療方法提供參考。

一、EXOs

EXOs是一類具有雙層膜結構的細胞外囊泡，直徑為30～100nm。EXOs來源于細胞分泌，如神經干細胞，神經元，星形膠質細胞，SCs等，可以通過不同體液如血液、尿液、腦脊液等檢測到EXOs。根據多組學研究，EXOs包含不同類型的生物分子，包括蛋白質、脂質和核酸。EXOs蛋白質包括取決于分泌細胞類型的蛋白質和與分泌細胞類型無關的特定蛋白質兩種；核酸主要包括各種RNA，如微小RNA(miRNA)、環狀RNA等，目前人們對miRNA研究較多，尤其癌癥方面，可以作為治療靶標[4]。

EXOs參與體內各種生物過程，其內含物可以反映機體的生理或病理狀況。因此不同來源的EXOs作為神經系統疾病的標志物已達成共識，如星形膠質細胞來源EXOs因子水平也可隨中樞神經系統疾病發展特異性增高或降低，可作為診治鑒別疾病的重要工具及預測疾病發展變化的生物學標志物[5]。有文獻表明，EXOs可以起到神經保護作用，如靜脈注射骨髓間充質干細胞可以作用于受損的神經元和星形膠質細胞，明顯改善糖尿病引起的認知障礙[6]。EXOs的內含物也可以直接參與神經系統活動，如EXOs miRNA在體內有不同的靶標，可以影響SCs增殖、遷移以及髓鞘形成，進而調節神經的生長發育[7]。EXOs還可以介導神經系統中細胞間通訊，如在神經突觸通訊時，添加GABAA受體拮抗劑可以使突觸前細胞釋放EXOs，并調節突觸強度和逆行信號[8]。EXOs可以與靶細胞相互作用，參與中樞神經細胞之間、SCs與軸突之間的信號交流[9]。

這些證據表明，EXOs中富含多種因子，參與神經系統正常運行，并且在神經系統的再生和重塑中起到重要作用，有助于研究者進一步探究神經系統疾病的發生機制，尋找新的治療方法。

二、EXOs與神經病變

1.EXOs與中樞神經病變：中樞神經病變的診斷多依靠癥狀表現和影像手段，有時并不準確并貽誤治療時間，因其病變位置的特殊性，一般治療藥物無法到達血-腦脊液屏障。EXOs與傳統神經細胞釋放的囊泡不同，可以攜帶多種活性物質，直接參與細胞間信息交流和物質交流，促進神經祖細胞的增殖和分化，以及促進神經回路的發育，在維持神經元穩態和神經保護方面發揮重要作用，是神經元健康的調節劑。同時，EXOs攜帶了與AD、PD等疾病相關的錯誤折疊形式的蛋白質，可能參與了神經退行性疾病的致病過程[10]。此外，由于EXOs內含物隨機體的生理病理狀態改變以及EXOs結構的特殊性，在診斷和治療中樞神經病方面，展現了光明的前景。以下以AD和PD為例，說明EXOs對中樞神經系統疾病的作用。

EXOs對AD的作用：AD是一種記憶和認知功能進行性喪失且不可逆的神經系統疾病，其主要病理特征包括淀粉樣β肽1-42蛋白聚集和磷酸化tau蛋白誘導神經細胞凋亡。文獻表明，EXOs因其可在神經細胞之間進行信息交流而可能攜帶毒蛋白參與了AD的發生。因此，檢測EXOs中特定的毒蛋白可以作為診斷AD的一種新方法，如AD患者腦脊液和血漿EXOs中全長tau蛋白遠高于正常人[11]。此外，AD患者血漿EXOs中miRNA-223、miRNA-212、miRNA-132等表達水平與健康志愿者組比較發生了顯著變化，因此，EXOs來源miRNA可以作為AD早期診斷的標志物[12]。EXOs對AD有潛在的治療作用，如間充質干細胞(mesenchymal stem cell, MSC)來源EXOs可以通過調節免疫、抗炎，促進β-淀粉樣蛋白降解，保護神經元并促進神經元軸突生長，有助于治療AD[13]。EXOs也被用于充當遞送藥物的載體治療AD，載有槲皮素的血漿EXOs可以通過抑制磷酸化的tau介導的神經元纖維纏繞而改善AD小鼠認知功能，表現出治療AD的潛力[14]。

EXOs對PD的作用：PD是一種進行性運動障礙，是僅次于AD的第二大常見的神經退行性疾病，發病機制復雜。有文獻表明，路易體的存在、氧化應激、細胞凋亡等多種機制以及分子途徑共同作用誘導多巴胺能神經元變性，最終導致PD的發生[2]。EXOs可以作為PD的生物學標志物，有文獻分析了PD患者血漿EXOs中差異表達的miRNAs，發現PD患者血漿EXOs中miR-19b、miR-24和miR-195等水平比健康志愿者組變化表達明顯，可以作為PD診斷潛在的生物學標志物[12]。EXOs對PD有一定的緩解作用。有研究發現，MSC來源EXOs可以攜帶有益的miRNA，并與神經元細胞相互作用，可以減少PD動物模型中的神經炎癥并促進神經發生[15]。EXOs可被用作藥物的運輸工具，將攜帶特定外源性干擾RNA的EXOs遞送至PD小鼠中，可以降低多巴胺神經元的死亡，改善臨床癥狀[16]。

2.EXOs與周圍神經病變：周圍神經病(peripheral neuropathy，PN)是一類復雜而普遍的神經系統疾病，周圍神經由神經纖維、支持組織和營養血管組成，神經纖維分為有髓鞘和無髓鞘纖維，髓鞘主要由髓磷脂和施萬細胞(Schwann cells，SCs)構成。PN的病理機制復雜，如機體長期處于高糖狀態，引起周圍神經損傷，軸突變性消失，神經干遭到破壞，受損神經局部微環境改變，導致糖尿病周圍神經病變(diabetic peripheral neuropathy, DPN)。研究證實，EXOs可直接作用于SCs，并有利于神經再生，下面以DPN為例，說明EXOs對周圍神經病變的作用。

EXOs對SCs的作用：SCs是周圍神經主要的神經膠質細胞，負責周圍神經髓鞘的形成。SCs可以分泌多種神經營養因子，如腦源性神經營養因子，神經生長因子等，促進軸突的生長，并為神經元的存活提供適宜的微環境[3]。DPN主要病理改變是SCs損傷，神經纖維脫髓鞘。周圍神經損傷(peripheral neuropathy injury, PNI)后，發生瓦勒變性，這個反應是PNI后神經再生的必要準備階段，SCs在瓦勒變性中發生增殖并吞噬分解軸突和髓磷脂，還發生遷移以指導新生軸突的再生方向，因此，SCs可以作為DPN的靶標[17]。

EXOs可以作用于SCs從而改善DPN，促進神經再生。人類脂肪干細胞(adipose-derived stem cells， ADSCs)來源EXOs可以體外上調相關基因，促進SCs增殖、遷移，髓鞘化和神經營養因子的分泌，體內實驗經過ADSC-EXOs治療，大鼠坐骨神經軸突再生、髓鞘化顯著恢復，同時ADSCs來源EXOs可以通過改變凋亡相關基因的表達來減少細胞凋亡，促進SCs增殖，從而促進周圍神經再生[18，19]。牙齦間充質干細胞(gingival mesenchymal stem cells， GMSCs)EXOs可以顯著促進SCs增殖和背根神經元軸突的生長，體內研究表明，GMSCs來源EXOs與可生物降解的殼多糖導管結合可以顯著增加神經纖維數量和直徑，并促進髓磷脂形成[20]。SCs自身分泌的EXOs也有助于神經修復。實驗研究發現，靜脈注射健康SCs衍生的EXOs至2型糖尿病小鼠中，可以促進小鼠坐骨神經髓鞘再生，明顯改善DPN，體外數據顯示SCs-EXOs促進糖尿病背根神經元的神經突增生，促進SCs的遷移[21]。PNI后修復型SCs可以分泌高表達miRNA-21的EXOs，促進神經突的生長，促進軸突再生[22]。

EXOs對神經炎性反應和血管再生的作用：PNI后的神經再生還涉及到神經炎性反應和血管再生。在瓦勒變性過程中，除SCs外，巨噬細胞和其他外周免疫細胞募集在損傷部位，促進髓鞘和軸突碎片的清除。而血管網絡的重建可以為周圍神經修復過程中的組織再生和生理功能恢復提供適宜的微環境[17]。EXOs不僅可以作用于SCs，還可以參與神經炎性反應、氧化應激，并促進血管再生，有助于神經修復。

實驗研究表明，將MSC來源EXOs靜注至鏈脲佐菌素誘導的糖尿病小鼠中，可以使小鼠周圍神經組織中巨噬細胞M1表型轉化為M2表型，從而降低促炎細胞因子水平；生物信息學分析表明，MSC來源EXOs含有的miRNA有助于TLR4/NF-κB信號通路的下調，表明MSC來源EXOs可以通過抑制促炎基因減輕DPN[23]。神經損傷后，巨噬細胞來源EXOs可以釋放功能性NADPH氧化酶2復合物，進入到受損的軸突中與活性氧作用，刺激PI3K/AKT通路信號轉導和產物再生，幫助軸突再生以及功能恢復[24]。MSC來源EXOs可以攜帶與調控血管生成的miRNA穿梭于各種細胞之間，并將這些miRNA轉移至內皮細胞，起到促進血管生成的作用[25]；也有研究發現，將GMSCs來源EXOs裝載到殼聚糖/絲綢水凝膠海綿中，可以明顯增加糖尿病小鼠的微血管數量和神經纖維密度，增強血管生成和神經元生長[26]。ADSCs來源EXOs內含物本身含有促進神經生長的神經營養因子，如腦源性神經營養因子，神經生長因子等，證實EXOs有成為神經再生治療工具的潛力[27]。

三、展 望

EXOs廣泛存在于機體體液中，不同來源EXOs可以特異性反映不同組織的生理病理狀態，神經系統疾病患者體內的EXOs內含物的特異性，可以作為疾病的標志物，為神經系統疾病的早期診斷指標提供了機遇[4]；EXOs由于其穩定性、低免疫原性、血-腦脊液屏障通透性和選擇性遞送的特性，可以攜帶藥物并被靶細胞特異性攝取從而發揮治療作用。但是EXOs的研究仍面臨許多挑戰，如EXOs中miRNA分選機制并不明晰，EXOs的分離和純化無確定標準，混合EXOs的技術尚未成熟，攜帯藥物的EXOs與治療藥物合用時可能會產生不良反應，無法保證攜帶藥物的EXOs的穩定性以及能夠準確地被靶細胞識別攝取等[9]。但不可否認的是，EXOs在神經系統疾病的研究中擁有廣闊前景。EXOs在不同組織都可產生，作為細胞間信息傳遞的媒介，不僅維持著神經系統的生理功能，還可以傳遞神經系統疾病相關物質作用于靶細胞，在疾病過程中發揮關鍵作用[10]。EXOs作為信息傳遞和藥物治療研究的工具，為深入研究神經系統疾病的作用機制和診治開拓了新思路。