外泌體的抗感染作用研究進展

馬楓茜,陳瑞楓,丁壽鵬,李祥芳,吳利先

(大理大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院微生物學(xué)與免疫學(xué)教研室,云南 大理 671000)

外泌體是起源于內(nèi)吞途徑的納米級微小囊泡的一種,直徑約為30～150 nm,其表面表達CD63、CD9 和 CD81 等生物標(biāo)志物[1-3]。由人體幾乎所有類型細(xì)胞分泌,如間充質(zhì)干細(xì)胞、NK 細(xì)胞和T 細(xì)胞以及中性粒細(xì)胞,它們具有母細(xì)胞的許多顯著特征,同時具有自己的獨特特征,含有DNA、RNA、蛋白質(zhì)、脂質(zhì)、核酸和代謝產(chǎn)物等生物活性大分子,并且能夠?qū)⑦@些物質(zhì)轉(zhuǎn)移到其他受體細(xì)胞,調(diào)節(jié)受體細(xì)胞的功能[4-6]。外泌體存在于正常或病理狀態(tài)的各種體液中,因此,可以在不同的體液中檢測外泌體并可用作潛在診斷生物標(biāo)志物,此外,其向受體細(xì)胞傳遞的物質(zhì)有效地改變了受體細(xì)胞的生物反應(yīng),可以促進或抑制疾病的進展[6-7]。近年來,研究者逐漸闡明免疫細(xì)胞衍生的外泌體在健康生理過程和病理條件中的作用。例如,在遇到感染時,受感染的宿主細(xì)胞會釋放外泌體,其中包含源自病原體的物質(zhì),這些物質(zhì)可以誘導(dǎo)針對病原體的免疫反應(yīng)[8]。此外,NK 細(xì)胞衍生的外泌體還含有典型的分子,如CD56、激活受體自然殺傷組2D(nature kill G2D,NKG2D)和誘導(dǎo)凋亡的 FAS 配體(Fas ligand,FASL),以及穿孔素和顆粒酶等,在體外誘導(dǎo)腫瘤細(xì)胞系凋亡[9]。另一方面,外泌體也可以作為 miRNA、mRNA 或藥物的載體或運載工具,從而促進細(xì)胞間通訊和免疫調(diào)節(jié)[3,10]。鑒于外泌體的生物學(xué)特性,以及其在病毒、細(xì)菌、真菌的發(fā)病機制、傳播和緩解中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用,本綜述旨在為一些重要的外泌體如何影響感染性疾病進展提供更廣泛的視角。

1 外泌體的抗病毒作用

外泌體有獨特的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用潛力,在抗病毒感染中,由于抗病毒藥物必須穿過細(xì)胞屏障,如胎盤屏障或血腦屏障,才能到達靶細(xì)胞,從而發(fā)揮更好的治療效果,而外泌體作為跨膜轉(zhuǎn)運治療劑的納米載體,有望成為正在研究的針對抗病毒感染的潛在治療方法,為臨床治療提供可靠的治療途徑[11]。

1.1 外泌體在抗病毒中的作用

早在2013 年,Li 等[12]就提出T 細(xì)胞釋放的外泌體對人類免疫缺陷病毒(human immunodeficiency virus,HIV)感染有抑制作用。與來源于CD4+T 細(xì)胞的CD4 分子缺失的外泌體相比,含有CD4+的外泌體可以抑制HIV-1 感染,這可能是由于含有CD4分子的外泌體掩蓋了HIV-1 包膜蛋白,從而抑制了HIV 感染。同樣,CD8+T 細(xì)胞分泌的外泌體也可以抑制感染細(xì)胞內(nèi)的HIV 的轉(zhuǎn)錄。另一項研究發(fā)現(xiàn)感染了HSV-1 的細(xì)胞會分泌更多的外泌體,并且其中含有多余細(xì)胞內(nèi)兩倍多的CD63 四肽,而CD63 對HSV-1 感染存在影響,CD63 陽性的外泌體可以控制病毒在宿主中的傳播,雖然病毒可以利用外泌體生物發(fā)生的機制進行自身組裝,但它也可以刺激CD63陽性外泌體的釋放以限制感染[13]。迄今為止,外泌體抑制病毒感染的實例越來越多,并且得到了證實。據(jù)報道,Conzelmann 等[14]研究表明唾液分泌的純化的外泌體能夠抑制塞卡病毒的感染。塞卡病毒可以通過體液,埃及伊蚊和白伊蚊傳播,但研究者發(fā)現(xiàn)它不能通過深吻傳播。唾液分泌的外泌體表達典型的外泌體標(biāo)志物,如CD9、CD63 和CD81,并在唾液中高度富集,能防止塞卡病毒的附著并且競爭性地阻斷塞卡病毒與靶細(xì)胞的連接,從而抑制病毒感染。但同時也發(fā)現(xiàn)唾液分泌的外泌體對SARS-CoV-2 的傳播沒有影響。

除了以上提到的,最近很多研究表明,外泌體作為一種輸送系統(tǒng),用于遞送小分子物質(zhì),如mRNA、RNA、肽、蛋白質(zhì)和許多其他生物分子,用于治療各種病毒性疾病[15-18]。之后,Gu 等[19]研究發(fā)現(xiàn)源自臍帶間充質(zhì)干細(xì)胞(hucMSC)的外泌體通過激活 AMPK/mTOR 介導(dǎo)的自噬通量通路減輕柯薩奇病毒3(coxsackievirus 3,CVB3)誘導(dǎo)的心肌炎,從而減輕心肌細(xì)胞凋亡,這將有利于臍帶間充質(zhì)干細(xì)胞的外泌體治療心肌炎。在該研究中,體內(nèi)結(jié)果顯示,hucMSC-外泌體顯著減輕了心肌損傷,減少了促炎細(xì)胞因子的產(chǎn)生并改善了心臟功能。此外,體外數(shù)據(jù)顯示,hucMSC-外泌體通過增加pAMPK/AMPK 比值和上調(diào)自噬蛋白LC3II/I、BECLIN-1 和抗凋亡蛋白BCL-2 來抑制CVB3 感染的HCM 的凋亡。以及降低pmTOR/mTOR 比值,促進自噬通量蛋白P62的降解和下調(diào)凋亡蛋白BAX。外泌體在抗病毒感染和抗腫瘤中都發(fā)揮著無法忽視的作用,但它也并不是單獨發(fā)揮相應(yīng)的作用,在一些病毒相關(guān)腫瘤中也抑制該病毒引起的腫瘤的發(fā)生發(fā)展。例如,去年的一項研究表明,γδT2 細(xì)胞可以直接殺傷愛潑斯坦-巴爾病毒(EB 病毒)相關(guān)的腫瘤細(xì)胞。并且,Wang 等[20]還發(fā)現(xiàn)同種異體的γδT2 細(xì)胞外泌體比自體外泌體具有更強的活性,不僅能直接殺傷EB病毒相關(guān)的腫瘤細(xì)胞,而且可以通過增強T 細(xì)胞介導(dǎo)的抗腫瘤活性,間接抑制腫瘤的發(fā)生和發(fā)展。此外,該研究還發(fā)現(xiàn)γδT2 細(xì)胞源性外泌體在治療EB病毒相關(guān)腫瘤方面優(yōu)于DC 源性外泌體和NK 源性外泌體,因為γδT2 細(xì)胞既有細(xì)胞毒性又有刺激T細(xì)胞的抗腫瘤能力。

1.2 外泌體的間接抗病毒作用

外泌體除了直接抗病毒作用外,Jungbauer[21]在2018 年報道的一項基于外泌體的疫苗研究表明,一種外泌體衍生的候選疫苗(由表達人乳頭瘤病毒E7蛋白的DNA 載體與攜帶Nef 蛋白的外泌體C 末端融合而成)能夠刺激細(xì)胞毒性T 淋巴細(xì)胞對人乳頭瘤病毒E7 蛋白的反應(yīng)。外泌體還參與病毒的發(fā)病機制與免疫反應(yīng),想要更好的利用外泌體進行相應(yīng)的疾病治療,還需更加了解它參與的發(fā)病機制,才能更好的為臨床治療服務(wù)。

2 外泌體的抗細(xì)菌作用

許多有關(guān)外泌體的研究都集中在抗腫瘤和抗病毒上。然而,新的研究表明外泌體或感染病原體的細(xì)胞來源的外泌體也可以促進抗原提呈和巨噬細(xì)胞活化,誘導(dǎo)抗菌反應(yīng),從而控制細(xì)菌復(fù)制。

2.1 外泌體在抗分枝桿菌中的作用

Bhatnagar 等[22]研究表明,感染細(xì)胞內(nèi)病原體如結(jié)核分枝桿菌、牛分枝桿菌、BCG 的巨噬細(xì)胞釋放出的外泌體中包含有病原體相關(guān)分子模式(PAMPs)。這些外泌體在接觸未感染的巨噬細(xì)胞時,會通過Toll 樣受體(toll-like receptor,TLR)和髓樣分化因子88(myeloid differentiation factor 88,MYD88)依賴性方式刺激受體幼稚巨噬細(xì)胞的促炎反應(yīng),發(fā)揮抗細(xì)胞內(nèi)病原體感染的作用。同樣,感染鳥分枝桿菌巨噬細(xì)胞的外泌體能夠增強巨噬細(xì)胞CD80 和CD86 的表達以及TNF-α 和IFN-β 的分泌,從而引起免疫激活[23]。在此基礎(chǔ)上,Wang等[24]也發(fā)現(xiàn)未感染的巨噬細(xì)胞在用感染鳥分枝桿菌的巨噬細(xì)胞分泌的外泌體刺激后增加了CD40、CD80、CD81、CD86、HLA-DR,尤其是CD195 的表達,同時也增強了IL-6、IL-8、IL-10、IFN-I 和 TNF-I的分泌。以上這些研究表明,來自分枝桿菌感染巨噬細(xì)胞的外泌體可以充當(dāng) PAMPs,誘導(dǎo)幼稚巨噬細(xì)胞活化,刺激抗分枝桿菌免疫反應(yīng)。如上所述,結(jié)核分枝桿菌感染巨噬細(xì)胞衍生的外泌體刺激幼稚巨噬細(xì)胞并誘導(dǎo)促炎細(xì)胞因子的分泌,激活機體免疫系統(tǒng),繼而引起結(jié)核分枝桿菌的自噬清除[25]。

2.2 外泌體在抗其他細(xì)菌中的作用。

除了分枝桿菌外,在嗜肺軍團菌感染的情況下,外泌體不僅激活周圍的肺泡上皮細(xì)胞發(fā)揮細(xì)胞間通訊作用,還通過Toll 樣受體2(TLR2)激活靜息狀態(tài)的巨噬細(xì)胞,導(dǎo)致增強的 CXCL8 釋放,有利于創(chuàng)造促炎環(huán)境以產(chǎn)生免疫反應(yīng),最終通過募集中性粒細(xì)胞來清除病原體感染[26]。此外,有研究發(fā)現(xiàn),受感染的巨噬細(xì)胞在感染2 h 后會產(chǎn)生CD63 陽性和CD9 陽性的外泌體,并且通過Toll 樣受體4 (tolllike receptor 4,TLR4)依賴性觸發(fā)來自幼稚巨噬細(xì)胞和樹突狀細(xì)胞的腫瘤壞死因子α(tumor necrosis factor α,TNF-α),同時也刺激 RANTES、IL-1ra、MIP-2、CXCL1、MCP-1、sICAM-1、GM-CSF 和 G-CSF 等細(xì)胞因子的分泌。Hui 等[27]表明,促炎外泌體是在鼠傷寒沙門氏菌感染巨噬細(xì)胞的早期形成的,它們可用于將物質(zhì)轉(zhuǎn)移到幼稚巨噬細(xì)胞,導(dǎo)致其激活參與免疫反應(yīng)。近年來,越來越多的研究正向細(xì)胞源性外泌體的治療性作用開展。Jia 等[28]研究發(fā)現(xiàn)在銅綠假單胞菌(Pseudomonasaeruginosa,PA)肺部感染的小鼠模型中,NK 細(xì)胞源性外泌體通過促進M1 巨噬細(xì)胞極化來改善PA 誘導(dǎo)的肺損傷。他們推測,在肺PA 感染的早期,M1 極化促進巨噬細(xì)胞對銅綠假單胞菌的吞噬作用。同樣,骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞來源的外泌體也可治療男性衣原體感染性[29]。

外泌體除了直接發(fā)揮的抗菌作用之外,也可作為藥物載體用于遞送抗生素等靶向治療細(xì)菌感染。例如,在如今濫用抗生素的大背景下,細(xì)胞內(nèi)耐甲氧西林金黃色葡萄球菌(methicillin-resistantStaphylococcusaureus,MRSA)極難被普通抗生素清除,導(dǎo)致感染復(fù)發(fā)和耐藥情況的發(fā)生。Yang 等[30]研究提出,利用甘露糖化的外泌體將溶葡萄球菌素和萬古霉素遞送至細(xì)菌感染部位以根除細(xì)胞內(nèi) MRSA。其中,甘露糖化的外泌體作為藥物載體可以優(yōu)先被巨噬細(xì)胞吸收,以至藥物在細(xì)菌感染部位積累,另一方面,溶葡萄球菌素針對葡萄球菌屬,沒有毒性,聯(lián)合殺菌策略將減少萬古霉素的劑量,從而降低毒性和耐藥性,增強細(xì)胞內(nèi)細(xì)菌的根除能力。在外泌體上裝載抗菌化合物靶向遞送的方法為對抵抗MRSA 等侵襲性強且耐藥性廣的胞內(nèi)細(xì)菌感染開辟了一條新的治療途徑,但在聯(lián)合用藥策略的使用以及藥物吸收情況等方面還有待研究。

無論是外泌體本身發(fā)揮的抗菌作用,還是運載物質(zhì)靶向抗菌,其機制都還未得到更加深入的闡述,在未來的研究中,更多的科學(xué)研究應(yīng)該注重于殺菌機制的提出,為臨床提供可靠的治療思路。

3 外泌體的抗真菌作用

外泌體等細(xì)胞外囊泡已逐漸成為殺死真菌的一種武器。Andriantsitohaina 等[31]和 Reales-Calderón 等[32]研究表明,無論是來自念珠菌感染的還是來自未感染的THP1 巨噬細(xì)胞衍生的外泌體,都對其他THP1 分化的巨噬細(xì)胞具有類似的效應(yīng)功能,即激活ERK 和p38 激酶途徑,并增加促炎細(xì)胞因子的分泌和念珠菌酸活性;而在THP1 非分化的單核細(xì)胞中,只有來自感染巨噬細(xì)胞的外泌體顯著增加了TNF-α 的分泌,這對小鼠和人類巨噬細(xì)胞白色念珠菌感染控制起重要作用。此外,一項研究發(fā)現(xiàn)新生隱球菌感染的巨噬細(xì)胞也能產(chǎn)生外泌體,增強感染隱球菌的小鼠的炎癥反應(yīng),有著較高的殺菌生物學(xué)效應(yīng)[33]。除了巨噬細(xì)胞外,多形核粒細(xì)胞(polymorphonuclears,PMN)產(chǎn)生的細(xì)胞外囊泡對于控制真菌感染也是至關(guān)重要的。人類致病性真菌煙曲霉觸發(fā)PMN 釋放一組獨特的抗真菌外泌體,通過蛋白質(zhì)組分析表明這些外泌體富含抗菌蛋白,能夠與真菌結(jié)合,限制生長,并通過輸送抗真菌藥物引起細(xì)胞損傷,從而起到殺菌作用[34]。

真菌產(chǎn)生的外泌體也能刺激免疫反應(yīng),發(fā)揮殺菌作用。Brauer 等[35]研究發(fā)現(xiàn)曲霉菌能夠產(chǎn)生外泌體,這些外泌體具有免疫原性,能夠刺激巨噬細(xì)胞的殺菌功能并且引起 M1 極化,并對黃曲霉感染具有保護作用。他們認(rèn)為這可能是治療由曲霉菌引起的曲霉病的治療靶點。外泌體能夠抵抗真菌感染這一發(fā)現(xiàn)為臨床提供了一個有效的,以前被忽視的抗真菌防御的方法,但其應(yīng)用廣泛性仍需進一步研究。

4 結(jié)語與展望

外泌體由各種類型細(xì)胞分泌,包括間充質(zhì)干細(xì)胞、NK 細(xì)胞和T 細(xì)胞、中性粒細(xì)胞以及已感染巨噬細(xì)胞;可以轉(zhuǎn)運蛋白質(zhì)、脂質(zhì)、miRNA、mRNA 或藥物,在細(xì)胞間信號轉(zhuǎn)導(dǎo)中發(fā)揮著重要作用。外泌體與各種疾病間的聯(lián)系越來越緊密,是目前研究的熱點之一。而有關(guān)外泌體的抗感染作用研究仍處在發(fā)展階段,如上所述,在感染性疾病中,外泌體可以引起促炎反應(yīng),能夠激活機體免疫系統(tǒng),增強免疫細(xì)胞的殺傷能力,有著較高的殺菌生物學(xué)效應(yīng),且能夠抑制病毒的復(fù)制和感染,但是具體作用機制仍然需要進一步闡述。目前已知細(xì)胞來源的外泌體能通過表達CD4+、CD8+等表面分子,激活相應(yīng)的信號通路如AMPK/mTOR、pAMPK/AMPK 和ERK 和p38 激酶途徑,以及TNF-α 和IFN-β、IL-6、IL-8、IL-10、IFN-I 和 TNF-I 等細(xì)胞因子抑制細(xì)菌、病毒、真菌的感染,發(fā)揮殺傷作用(見圖1),除了現(xiàn)有研究表明的機制之外,其在其他易感染病毒或細(xì)菌如結(jié)核分枝桿菌感染等方面的作用機制仍需進一步研究外泌體作為外分泌體,其最明顯的作用是靶向運輸物質(zhì),繼而發(fā)揮抗感染作用,這也是未來研究外泌體在抗感染方面的重要著手點。但外泌體的富集、分離和儲存方法及如何提高外泌體的獲得量也是目前面臨的挑戰(zhàn)之一。此外,外泌體抗感染作用的相關(guān)機制、治療潛力以及遞送效率等方面都值得進一步研究。

圖1 不同細(xì)胞來源外泌體作用Figure 1 Role of exosomes of different cell sources