外泌體在衰弱發(fā)病機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展加速，預(yù)計2050 年全球人口老齡化將達到20 億左右，中國老齡人口將達4 億以上［1］。衰弱作為一種與增齡相關(guān)的臨床綜合征，其特征是機體多個生理系統(tǒng)失調(diào)引起生理儲備降低，個體抵抗內(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)險增高［2］。目前衰弱的診斷尚無統(tǒng)一標準，現(xiàn)臨床和科研上應(yīng)用最廣泛的是Fried 衰弱標準。我國社區(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］。目前識別和監(jiān)測衰弱發(fā)生發(fā)展的核心生物標志物主要有炎癥因子、免疫細胞、氧化應(yīng)激產(chǎn)物、表觀遺傳標記、各類激素和內(nèi)分泌因子以及微小RNA，但其診斷、預(yù)測預(yù)后和治療衰弱的潛力尚不明確，有待進一步研究評估和驗證。本文對外泌體與衰弱的發(fā)病機制及診療相關(guān)研究進展作如下綜述。

1 外泌體在衰弱發(fā)病機制中的潛在作用

外泌體是大小為40～150 nm 的細胞外囊泡，含有豐富的蛋白質(zhì)、脂質(zhì)、短肽鏈、mRNA、miRNA、長鏈非編碼RNA等，參與遠近細胞、組織和器官間通訊，抗原呈遞以及調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)翻譯過程，被認為是疾病進展中的具有潛在價值的生物標志物［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胞生物學(xué)過程，如細胞粘附、膜融合、新陳代謝和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)等［5］。外泌體通用的涉及膜轉(zhuǎn)運、融合及信號轉(zhuǎn)導(dǎo)等主要相關(guān)蛋白有GTPases 蛋白、膜聯(lián)蛋白和脂筏標記蛋白，同時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，被認為是外泌體特異性標志物。VALADI 等［6］首次報道肥大細胞衍生的外泌體內(nèi)含mRNA 和miRNA。miRNA 是一種含有21-23 個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，與較多生物學(xué)過程相關(guān)，例如胚胎發(fā)育、增殖、分化和凋亡。

有多項證據(jù)支持，在個體衰老進程中及與增齡相關(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 衰弱標準入組衰弱患者，設(shè)立健康對照組和年輕對照組，通過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)機制［11］。有研究發(fā)現(xiàn)，骨骼肌細胞衍生的外泌體miRNA 可調(diào)節(jié)肌肉再生和蛋白質(zhì)合成［12］。CHOI 等［13］通過體外研究發(fā)現(xiàn)人骨骼肌成肌細胞（HSkM）衍生的外泌體攜帶多種信號因子，包括肌源性生長因子、胰島素樣生長因子（IGF）以及成纖維細胞生長因子2（FGF2）等，可誘導(dǎo)人脂肪間充質(zhì)干細胞（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源的外泌體，接種于C2C12 骨骼肌細胞培養(yǎng)基中，證實乳清蛋白來源的外泌體具有增強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)，外泌體可能在未來發(fā)展為干預(yù)衰弱合并肌少癥的無細胞療法。

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近靶點的炎癥調(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)移至靶細胞參與炎癥過程，在炎癥信號級聯(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 可通過調(diào)控TLR 傳導(dǎo)途徑和核因子-kappaB（NF-κB）信號通路，從而調(diào)節(jié)炎癥因子的循環(huán)水平，是細胞衰老和炎癥相互作用的重要調(diào)節(jié)劑［18］。PICCA 等［19］對帕金森病（PD）患者和非PD 患者的血清進行分離純化得到具有特定線粒體特征的外泌體（MDV），并通過多重免疫測定法證實循環(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)疾病的炎癥機制的特性，可讓其成為識別衰弱的新生物標志物和干預(yù)措施的潛在靶標。

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)致老年人對衰弱的易感性增加［20］。抗原細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，在細胞免疫和非細胞免疫過程中扮演著重要角色。抗原呈遞細胞（APC）可將抗原細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 細胞，從而激活T 細胞免疫活性，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，可通過識別外泌體過度表達的短序列基序，控制特定的miRNA 裝載進入外泌體囊泡，參與免疫應(yīng)答過程，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程中具有高效的診斷及檢測價值。

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］研究證實下丘腦神經(jīng)干細胞源性外泌體miRNA 具有介導(dǎo)延緩衰老和衰弱的作用。IGF在細胞衰老和凋亡分子機制中發(fā)揮至關(guān)重要的作用，涉及衰老及與增齡相關(guān)疾病的病理生理過程。IGF 可通過上調(diào)外周循環(huán)中外泌體miRNA 水平調(diào)節(jié)NF-κB 信號通路，進而抑制神經(jīng)元炎癥［25］。過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，有研究證實脂肪細胞源性外泌體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，超過1000 個miRNA靶向大約60%的基因，其中大約70%的miRNA 在大腦中表達，調(diào)節(jié)神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)細胞功能［27］。有研究發(fā)現(xiàn)，外泌體miR-29b 在神經(jīng)元細胞成熟過程中靶向調(diào)節(jié)B 淋巴細胞瘤-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制［29］。MCBRIDE 等［30］研究證實間充質(zhì)干細胞源性外泌體膜表面相關(guān)Wnt3a 蛋白可激活Wnt/βcatenin 信號傳導(dǎo)途徑，調(diào)節(jié)神經(jīng)元生發(fā)過程，從而改善認知缺陷。病理性tau 蛋白在神經(jīng)元的積累是AD 的主要標志，HIROHIDE 等［31］研究AD 小鼠模型發(fā)現(xiàn)小膠質(zhì)細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，外泌體分離鑒定技術(shù)飛速發(fā)展，可大幅擴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，證實外泌體miRNA 具有作為診斷衰弱生物標志物的可能性，其臨床診斷價值相較于衰老相關(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一步的研究［10］。

多項證據(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)展中存在動態(tài)變化趨勢，具有監(jiān)測治療或疾病預(yù)后的潛力。近年來間充質(zhì)干細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)干細胞向肌細胞分化，為外泌體應(yīng)用于促進肌肉再生提供重要的生物證據(jù)。有文獻證實間充質(zhì)干細胞衍生的外泌體可以在相鄰細胞間發(fā)揮信號傳導(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理，且在此基礎(chǔ)上進一步研究發(fā)現(xiàn)脂多糖（LPS）預(yù)處理的間充質(zhì)干細胞源性外泌體可通過let-7b 穿梭靶向調(diào)節(jié)TLR4，從而緩解慢性炎癥和促進皮膚傷口的愈合［35］。體力活動或鍛煉是干預(yù)衰弱的重要措施之一。CHATURVEDI 等［36］體外研究表明，運動后心肌細胞衍生的外泌體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，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)靶標將為介導(dǎo)延緩衰弱提供更多可能。

3 討論

衰弱是一個動態(tài)的、多方面的過程，早期診療對衰弱的改善或逆轉(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志物，幫助預(yù)測或提早干預(yù)衰弱的進程。基于分子、細胞等多層次，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)信號通路的作用機制均有待進一步研究，從而為老年衰弱的臨床診療提供新的靶點。