外泌體在衰弱發(fā)病機(jī)制和診療中的潛在作用

王學(xué) 陳旭嬌*

隨著全球人口老齡化進(jìn)展加速，預(yù)計(jì)2050 年全球人口老齡化將達(dá)到20 億左右，中國(guó)老齡人口將達(dá)4 億以上［1］。衰弱作為一種與增齡相關(guān)的臨床綜合征，其特征是機(jī)體多個(gè)生理系統(tǒng)失調(diào)引起生理儲(chǔ)備降低，個(gè)體抵抗內(nèi)源性或外源性打擊的能力下降，易導(dǎo)致失能、跌倒、住院及死亡的風(fēng)險(xiǎn)增高［2］。目前衰弱的診斷尚無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)臨床和科研上應(yīng)用最廣泛的是Fried 衰弱標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)社區(qū)衰弱及衰弱前期患病率分別為12.8%和45.4%，女性衰弱患病率高于男性，且隨著年齡的增加而升高。衰弱個(gè)體的生理系統(tǒng)失調(diào)累及肌肉骨骼系統(tǒng)、慢性炎癥、免疫系統(tǒng)、內(nèi)分泌系統(tǒng)以及神經(jīng)系統(tǒng)，其中慢性炎癥是衰弱發(fā)展的關(guān)鍵［3］。目前識(shí)別和監(jiān)測(cè)衰弱發(fā)生發(fā)展的核心生物標(biāo)志物主要有炎癥因子、免疫細(xì)胞、氧化應(yīng)激產(chǎn)物、表觀遺傳標(biāo)記、各類激素和內(nèi)分泌因子以及微小RNA，但其診斷、預(yù)測(cè)預(yù)后和治療衰弱的潛力尚不明確，有待進(jìn)一步研究評(píng)估和驗(yàn)證。本文對(duì)外泌體與衰弱的發(fā)病機(jī)制及診療相關(guān)研究進(jìn)展作如下綜述。

1 外泌體在衰弱發(fā)病機(jī)制中的潛在作用

外泌體是大小為40～150 nm 的細(xì)胞外囊泡，含有豐富的蛋白質(zhì)、脂質(zhì)、短肽鏈、mRNA、miRNA、長(zhǎng)鏈非編碼RNA等，參與遠(yuǎn)近細(xì)胞、組織和器官間通訊，抗原呈遞以及調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)翻譯過(guò)程，被認(rèn)為是疾病進(jìn)展中的具有潛在價(jià)值的生物標(biāo)志物［4］。外泌體所占比例最高的是蛋白質(zhì)類，并參與一系列基本的細(xì)胞生物學(xué)過(guò)程，如細(xì)胞粘附、膜融合、新陳代謝和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)等［5］。外泌體通用的涉及膜轉(zhuǎn)運(yùn)、融合及信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)等主要相關(guān)蛋白有GTPases 蛋白、膜聯(lián)蛋白和脂筏標(biāo)記蛋白，同時(shí)還包括熱激同源蛋白70（HSC70），熱休克蛋白90（HSP90）以及主要組織相容性復(fù)合體Ⅱ類（MHC Ⅱ）等抗原呈遞分子。CD9、CD63 和CD81 四跨膜蛋白，以及與質(zhì)膜相關(guān)的其它蛋白質(zhì)存富集于外泌體，被認(rèn)為是外泌體特異性標(biāo)志物。VALADI 等［6］首次報(bào)道肥大細(xì)胞衍生的外泌體內(nèi)含mRNA 和miRNA。miRNA 是一種含有21-23 個(gè)核苷酸的單鏈非編碼RNA，可結(jié)合mRNA 的3'端非翻譯區(qū)（3'-UTR）而影響轉(zhuǎn)錄后水平的基因表達(dá)，與較多生物學(xué)過(guò)程相關(guān)，例如胚胎發(fā)育、增殖、分化和凋亡。

有多項(xiàng)證據(jù)支持，在個(gè)體衰老進(jìn)程中及與增齡相關(guān)疾病患者循環(huán)中的外泌體水平均存在動(dòng)態(tài)變化［7］。此外有學(xué)者指出，外泌體介導(dǎo)的信息傳導(dǎo)與衰弱潛在的分子機(jī)制，即與增齡相關(guān)的免疫系統(tǒng)炎癥激活（炎癥衰老）以及免疫系統(tǒng)功能重塑（免疫衰老）有關(guān)［8］。IPSON 等［9］根據(jù)Fried 衰弱標(biāo)準(zhǔn)入組衰弱患者，設(shè)立健康對(duì)照組和年輕對(duì)照組，通過(guò)比較各組間血漿中外泌體水平發(fā)現(xiàn)衰弱患者血漿中富含8 種特定的外 泌 體miRNA：miR-10a-3p、miR-92a-3p、miR-185-3p、miR-194-5p、miR-326、miR-532-5p、miR-576-5p 和miR-760。PICCA 等［10］研究衰弱合并肌肉衰減癥患者與老年健康對(duì)照組的血清外泌體比較，發(fā)現(xiàn)衰弱合并肌肉衰減癥患者血清中外泌體水平明顯升高，且部分線粒體氧化電子傳遞鏈成分以外泌體形式損失，與衰弱潛在的慢性炎癥機(jī)制密切相關(guān)。

1.1 外泌體與骨骼肌肉系統(tǒng) 肌肉衰減癥也稱肌少癥，特征是與年齡相關(guān)的肌肉質(zhì)量減少、肌肉力量和功能下降，與衰弱密切相關(guān)，且兩者存在部分共同病因及病理生理學(xué)機(jī)制［11］。有研究發(fā)現(xiàn)，骨骼肌細(xì)胞衍生的外泌體miRNA 可調(diào)節(jié)肌肉再生和蛋白質(zhì)合成［12］。CHOI 等［13］通過(guò)體外研究發(fā)現(xiàn)人骨骼肌成肌細(xì)胞（HSkM）衍生的外泌體攜帶多種信號(hào)因子，包括肌源性生長(zhǎng)因子、胰島素樣生長(zhǎng)因子（IGF）以及成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子2（FGF2）等，可誘導(dǎo)人脂肪間充質(zhì)干細(xì)胞（HADSC）的成肌分化，從而顯著提高肌肉損傷小鼠模型的肌肉再生能力。MOBLEY 等［14］提取并分離得到牛乳來(lái)源的外泌體，接種于C2C12 骨骼肌細(xì)胞培養(yǎng)基中，證實(shí)乳清蛋白來(lái)源的外泌體具有增強(qiáng)肌肉再生和肌肉蛋白的合成的功能。骨骼肌源性外泌體miRNA（myomiRs）的相關(guān)研究為發(fā)展，基于應(yīng)用外泌體miRNA 來(lái)提高肌肉質(zhì)量和功能的方法提供了基礎(chǔ)，外泌體可能在未來(lái)發(fā)展為干預(yù)衰弱合并肌少癥的無(wú)細(xì)胞療法。

1.2 外泌體與炎癥 慢性系統(tǒng)性炎癥和線粒體功能障礙是衰弱合并肌少癥發(fā)生發(fā)展的潛在因素［15］。外泌體攜帶能夠作用于遠(yuǎn)近靶點(diǎn)的炎癥調(diào)節(jié)劑（miRNA 和蛋白質(zhì)），可經(jīng)受體介導(dǎo)將內(nèi)部調(diào)節(jié)因子轉(zhuǎn)移至靶細(xì)胞參與炎癥過(guò)程，在炎癥信號(hào)級(jí)聯(lián)反應(yīng)中起關(guān)鍵作用［16］。有研究表明，外泌體含有的線粒體DNA（mtDNA）可表現(xiàn)為損傷相關(guān)分子模式（DAMPs），通過(guò)結(jié)合Toll 樣受體（TLR），Nod 樣受體蛋白3（NLRP3）炎性小體以及與胞質(zhì)環(huán)鳥苷酸-腺苷酸-干擾素基因刺激蛋白（cGAS-cGAMP-STING）傳感信號(hào)通路的相互作用，從而激活炎癥途徑［17］。此外，有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)外泌體miRNA 可通過(guò)調(diào)控TLR 傳導(dǎo)途徑和核因子-kappaB（NF-κB）信號(hào)通路，從而調(diào)節(jié)炎癥因子的循環(huán)水平，是細(xì)胞衰老和炎癥相互作用的重要調(diào)節(jié)劑［18］。PICCA 等［19］對(duì)帕金森病（PD）患者和非PD 患者的血清進(jìn)行分離純化得到具有特定線粒體特征的外泌體（MDV），并通過(guò)多重免疫測(cè)定法證實(shí)循環(huán)中外泌體水平與全身性炎癥正相關(guān)。外泌體參與調(diào)控衰老以及與增齡相關(guān)疾病的炎癥機(jī)制的特性，可讓其成為識(shí)別衰弱的新生物標(biāo)志物和干預(yù)措施的潛在靶標(biāo)。

1.3 外泌體與免疫系統(tǒng) 免疫系統(tǒng)老化又稱免疫衰老，特征是衰老過(guò)程中發(fā)生的適應(yīng)性免疫系統(tǒng)功能下降，是衰弱發(fā)展的潛在因素之一，并可導(dǎo)致老年人對(duì)衰弱的易感性增加［20］。抗原細(xì)胞衍生的外泌體攜帶多種抗原物質(zhì)，包括微生物蛋白和多種調(diào)節(jié)性RNA，在細(xì)胞免疫和非細(xì)胞免疫過(guò)程中扮演著重要角色。抗原呈遞細(xì)胞（APC）可將抗原細(xì)胞衍生的外泌體部分內(nèi)化加工形成表面的肽/MHC 復(fù)合物（p-MHC），并呈遞給T 細(xì)胞，從而激活T 細(xì)胞免疫活性，發(fā)揮免疫應(yīng)答效應(yīng)［21］。BELTRI 等［22］研究發(fā)現(xiàn)外泌體中的異質(zhì)核糖核蛋白A2B1（hnRNPA2B1）與miRNA 結(jié)合后被磺酰化，可通過(guò)識(shí)別外泌體過(guò)度表達(dá)的短序列基序，控制特定的miRNA 裝載進(jìn)入外泌體囊泡，參與免疫應(yīng)答過(guò)程，闡釋外泌體miRNA 的免疫調(diào)節(jié)功能。由此可見，外泌體miRNA 在衰弱潛在的免疫衰老過(guò)程中具有高效的診斷及檢測(cè)價(jià)值。

1.4 外泌體與內(nèi)分泌系統(tǒng) 下丘腦-垂體軸具有調(diào)節(jié)糖皮質(zhì)激素分泌、IGF 信號(hào)傳導(dǎo)和雄激素的生成的功能，與衰弱的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)［23］。ZHANG 等［24］研究證實(shí)下丘腦神經(jīng)干細(xì)胞源性外泌體miRNA 具有介導(dǎo)延緩衰老和衰弱的作用。IGF在細(xì)胞衰老和凋亡分子機(jī)制中發(fā)揮至關(guān)重要的作用，涉及衰老及與增齡相關(guān)疾病的病理生理過(guò)程。IGF 可通過(guò)上調(diào)外周循環(huán)中外泌體miRNA 水平調(diào)節(jié)NF-κB 信號(hào)通路，進(jìn)而抑制神經(jīng)元炎癥［25］。過(guò)氧化物酶體增殖物激活受體γ（PPARγ）是全身脂質(zhì)代謝和胰島素敏感性的有效調(diào)節(jié)劑，有研究證實(shí)脂肪細(xì)胞源性外泌體miR-27a 可靶向PPARγ 誘導(dǎo)骨骼肌的胰島素抵抗，進(jìn)而導(dǎo)致骨骼肌葡萄糖攝取受損，骨骼肌質(zhì)量下降以及骨骼肌蛋白合成減少，是衰弱的關(guān)鍵因素之一［26］。總之，外泌體在衰弱與內(nèi)分泌系統(tǒng)相關(guān)效應(yīng)中可能發(fā)揮潛在的調(diào)節(jié)作用。

1.5 外泌體與神經(jīng)系統(tǒng) 有研究統(tǒng)計(jì)，超過(guò)1000 個(gè)miRNA靶向大約60%的基因，其中大約70%的miRNA 在大腦中表達(dá)，調(diào)節(jié)神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞功能［27］。有研究發(fā)現(xiàn)，外泌體miR-29b 在神經(jīng)元細(xì)胞成熟過(guò)程中靶向調(diào)節(jié)B 淋巴細(xì)胞瘤-2 基因（Bcl-2）家族的促凋亡BH3 蛋白Bim、Bmf、Hrk、Puma 和N-Bak，從而抑制神經(jīng)元凋亡［28］。除此以外，外泌體蛋白質(zhì)在調(diào)節(jié)神經(jīng)發(fā)育、突觸和血管形成方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。認(rèn)知功能下降和神經(jīng)退行性疾病，如阿爾茨海默氏癡呆癥（AD），與衰弱存在共同的病理分子機(jī)制［29］。MCBRIDE 等［30］研究證實(shí)間充質(zhì)干細(xì)胞源性外泌體膜表面相關(guān)Wnt3a 蛋白可激活Wnt/βcatenin 信號(hào)傳導(dǎo)途徑，調(diào)節(jié)神經(jīng)元生發(fā)過(guò)程，從而改善認(rèn)知缺陷。病理性tau 蛋白在神經(jīng)元的積累是AD 的主要標(biāo)志，HIROHIDE 等［31］研究AD 小鼠模型發(fā)現(xiàn)小膠質(zhì)細(xì)胞源性外泌體以旁分泌形式在神經(jīng)元間傳播tau 蛋白，導(dǎo)致tau蛋白的大量積累。外泌體在神經(jīng)系統(tǒng)疾病中調(diào)節(jié)神經(jīng)元功能的機(jī)理為研究衰弱的神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)展提供新的方向。

2 外泌體作為衰弱診療工具的可能

近年來(lái)，外泌體分離鑒定技術(shù)飛速發(fā)展，可大幅擴(kuò)增生物體液中外泌體miRNA 的敏感性，從而使外泌體miRNA 成為衰弱等與增齡相關(guān)疾病的潛在可能生物標(biāo)志物［32］。衰弱患者較健康老年人的外周循環(huán)中特定的外泌體miRNA 水平升高，證實(shí)外泌體miRNA 具有作為診斷衰弱生物標(biāo)志物的可能性，其臨床診斷價(jià)值相較于衰老相關(guān)分泌表型，更符合微量、微創(chuàng)、精度高的要求，但其在衰弱早期的變化尚待進(jìn)一步的研究［10］。

多項(xiàng)證據(jù)表明，外泌體具有作為調(diào)節(jié)劑及藥物載體的作用，且已有應(yīng)用外泌體作為治療與增齡相關(guān)疾病的工具，包括2 型糖尿病、骨質(zhì)疏松癥、骨關(guān)節(jié)炎、心血管疾病、神經(jīng)退行性疾病和癌癥［33］。以上證據(jù)支持外泌體miRNA 在疾病發(fā)生發(fā)展中存在動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)，具有監(jiān)測(cè)治療或疾病預(yù)后的潛力。近年來(lái)間充質(zhì)干細(xì)胞源性外泌體作為臨床疾病的替代治療受到廣泛的關(guān)注，CHOI 等［34］研究表明外泌體可觸發(fā)干細(xì)胞向肌細(xì)胞分化，為外泌體應(yīng)用于促進(jìn)肌肉再生提供重要的生物證據(jù)。有文獻(xiàn)證實(shí)間充質(zhì)干細(xì)胞衍生的外泌體可以在相鄰細(xì)胞間發(fā)揮信號(hào)傳導(dǎo)作用，維持體內(nèi)穩(wěn)態(tài)微環(huán)境便于組織修復(fù)，作為用于治療炎性疾病和組織損傷的潛在機(jī)理，且在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)脂多糖（LPS）預(yù)處理的間充質(zhì)干細(xì)胞源性外泌體可通過(guò)let-7b 穿梭靶向調(diào)節(jié)TLR4，從而緩解慢性炎癥和促進(jìn)皮膚傷口的愈合［35］。體力活動(dòng)或鍛煉是干預(yù)衰弱的重要措施之一。CHATURVEDI 等［36］體外研究表明，運(yùn)動(dòng)后心肌細(xì)胞衍生的外泌體miR-29b 和miR-455 水平上調(diào)，靶向結(jié)合MMP9 基因的3'區(qū)域并抑制其表達(dá)，從而下調(diào)糖尿病小鼠心臟組織中基質(zhì)金屬蛋白酶9 的有害下游影響。由此可見，以外泌體作為調(diào)節(jié)衰弱潛在干預(yù)靶標(biāo)將為介導(dǎo)延緩衰弱提供更多可能。

3 討論

衰弱是一個(gè)動(dòng)態(tài)的、多方面的過(guò)程，早期診療對(duì)衰弱的改善或逆轉(zhuǎn)至關(guān)重要，外泌體可作為敏感和特異性的衰老及衰弱潛在的生物標(biāo)志物，幫助預(yù)測(cè)或提早干預(yù)衰弱的進(jìn)程。基于分子、細(xì)胞等多層次，明確衰弱及衰弱前期患者外泌體蛋白質(zhì)、miRNA 等功能性生物因子在細(xì)胞衰老及老年衰弱中的作用，以及外泌體miRNA 與衰弱相關(guān)信號(hào)通路的作用機(jī)制均有待進(jìn)一步研究，從而為老年衰弱的臨床診療提供新的靶點(diǎn)。